История, состав, виды бетона
Итак, что же такое бетон?
Бетон – это искусственный каменный материал, получаемый из цемента, заполнителей и специальных добавок и воды. Сегодня бетон – один из основных строительных материалов.
Кроме обычного бетона, из которого делают плиты, балки и панели жилых домов, есть еще, к примеру, бетон, непроницаемый для рентгеновских лучей, бетон, стойкий против морской воды, – из него делают набережные и причалы. Есть и сталебетон – в него добавляют стальные опилки и делают особо прочные полы на заводах. Есть пемзобетон и туфобетон. Их наполнители – пемза и туф – пористые и легкие строительные материалы. Поэтому и бетон становится, во-первых, легче, во-вторых, хуже пропускает тепло, а значит, защищает летом от жары, зимой – от холода. Для северных районов готовят морозостойкий бетон, который можно заморозить и разморозить полтысячи раз, а он остается таким же прочным. Есть бетон с металлической арматурой – железобетон; бетон с арматурой из дерева – деревобетон; полимербетон – это бетон, внутри которого синтетические смолы. Кстати, слово «бетон» по-латыни означает «горная смола». Действительно, еще тысячи лет назад камни иногда скрепляли смолой.
Короче говоря, современный бетон – это искусственный камень. Но зачем делать камни? Неужели природных камней не хватает? Природа миллионы лет трудилась, чтобы создать горы. Но все эти миллионы лет ветер, солнце, вода, мороз и зной тоже трудились над каменными глыбами. И внутри большинства естественных камней – трещины, изъяны. Камни трудно резать, а расколоть гораздо легче. Ученый бы сказал – у камня неоднородная структура. И потому он не такой уж прочный, как это кажется. Вот почему много лет люди берут мелкие камушки – щебень и гравий, смешивают их с цементом и водой и получают универсальный и прочный искусственный камень бетон.
Итак, если песок, щебень и гравий смешать с цементом и водой, то получится бетонная смесь. Дайте ей затвердеть, и она превратится в бетон. Но бетон этот будет непрочный. Даже если внутри балки из такого бетона проложить стальные стержни или проволоку, то есть армировать бетон, все равно будет плохо. На такую балку опасно даже детские качели подвесить. Может не выдержать. А все дело в том, что бетонную смесь перед тем, как она затвердеет, надо уплотнить. Уплотняют свежий бетон чаще всего вибратором, проще сказать – хорошенько утрясают его. Для этого на всех домостроительных комбинатах, на всех заводах железобетонных изделий есть виброплощадки – прочные плиты на пружинах. Под ними вращаются 2 эксцентрика – неуравновешенных груза. Грузы прыгают вверх-вниз, плита подскакивает на пружинах, а железобетонная панель, что лежит на плите, уплотняется.
Из истории бетона
Бетон – один из древнейших строительных материалов. При возведении массивных сооружений и таких конструкций, как своды, купола, триумфальные арки, ещё древние римляне использовали бетон и в качестве вяжущих материалов применяли глину, гипс, известь, асфальт.
Из бетона построены галереи египетского лабиринта (3600 лет до н.э.), часть Великой Китайской стены (III в. до н. э.), ряд сооружений на территории Индии, Древнего Рима и в других местах.
С падением Римской империи применение бетона прекратилось и возобновилось лишь в 18 веке в западноевропейских странах.
Использование бетона и железобетона для массового строительства началось только во второй половине XIX в., после получения и организации промышленного выпуска портландцемента, ставшего основным вяжущим веществом для бетонных и железобетонных конструкций. Вначале бетон использовался для возведения монолитных конструкций и сооружений. Применялись жесткие и малоподвижные бетонные смеси, уплотнявшиеся трамбованием. С появлением железобетона, армированного каркасами, связанными из стальных стержней, начинают применять более подвижные и даже литые бетонные смеси, чтобы обеспечить их надлежащее распределение и уплотнение в бетонируемой конструкции.
Однако применение подобных смесей затрудняло получение бетона высокой прочности, требовало повышенного расхода цемента. Поэтому большим достижением явилось появление в 30-х годах способа уплотнения бетонной смеси вибрированием, что позволило обеспечить хорошее уплотнение малоподвижных и жестких бетонных смесей, снизить расход цемента в бетоне, повысить его прочность и долговечность.
В эти же годы был предложен способ предварительного напряжения арматуры в бетоне, способствовавший снижению расхода арматуры в железобетонных конструкциях, повышению их долговечности и трещиностойкости.
Бетон в России
Развитие и совершенствование технологии бетона в России, как и в других странах, было связано с производством цемента, который появился у нас в стране в начале XVIII в.
По архивным свидетельствам, на строительстве Ладожского канала в 1728-29 был использован цемент, изготовленный на цементном заводе, существовавшем в Конорском уезде Петербургской губернии.
В Петербурге в 1822 г. вышла книга «Трактат об искусстве приготовлять хорошие строительные растворы». Еще через несколько лет ее автор русский строитель Егор Челиев издал книгу о том, как приготовлять цемент и бетон, и как эти удивительные материалы применять при строительстве набережных, фундаментов и для других самых разных строительных надобностей. С тех пор без цемента и бетона не обходится ни одно крупное сооружение в России.
Широкое развитие получила технология бетона в СССР со времени первых крупных гидротехнических строительств – Волховстроя (1924 г.) и Днепростроя (1930 г.).
В 30-е годы советские ученые и инженеры разработали методы зимнего бетонирования и тем самым обеспечили круглогодичное возведение бетонных и железобетонных конструкций, создали ряд новых видов бетона, разработали способы повышения долговечности бетона, основы технологии сборного железобетона.
В послевоенные годы создаются новые виды вяжущих веществ и бетонов, начинают широко применятся химические добавки, улучшающие свойства бетона, совершенствуются способы проектирования состава бетона и его технология.
Ежегодно в строительстве применяются примерно 250 млн. м3 бетона и железобетона, в том числе около 125 млн. м3 сборного железобетона. На предприятиях работает свыше 25000 технологических линий по производству сборного железобетона.
Состав бетона
Бетонами называют искусственные каменные материалы, получаемые в результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси из минерального или органического вяжущего вещества с водой, мелкого и крупного заполнителей, взятых в определенных пропорциях. До затвердевания эту смесь называют бетонной смесью.
В строительстве широко используют бетоны, приготовленные на цементах или других неорганических вяжущих веществах. Эти бетоны обычно затворяют водой. Цемент и вода являются активными составляющими бетона; в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит.
Между цементом и заполнителем обычно не происходит химического взаимодействия (за исключением силикатных бетонов, получаемых автоклавной обработкой), поэтому заполнители часто называют инертными материалами.
Однако они существенно влияют на структуру и свойства, изменяя его пористость, сроки затвердевания, поведение при воздействии нагрузки и внешней среды. Заполнители значительно уменьшают деформации бетона при твердении и тем самым обеспечивают получение большеразмерных изделий и конструкций.
В качестве заполнителей используют преимущественно местные горные породы и отходы производства (шлаки и др.). Применение этих дешевых заполнителей снижает стоимость бетона, так как заполнители и вода составляют 85-90%, а цемент – 10-15% от массы бетона.
В последние годы в строительстве широко используют легкие бетоны, получаемые на искусственных пористых заполнителях. Пористые заполнители снижают плотность бетона, улучшают его теплотехнические свойства.
Для регулирования свойств бетона и бетонной смеси в их состав вводят различные химические добавки, которые ускоряют или замедляют схватывание бетонной смеси, делают ее более пластичной и удобоукладываемой, ускоряют твердение бетона, повышают его прочность и морозостойкость, а также при необходимости изменяют и другие свойства бетона.
Бетоны на минеральных вяжущих веществах являются капиллярно-пористыми телами, на структуру и свойства которых заметное влияние оказывают как внутренние процессы взаимодействия составляющих бетона, так и воздействие окружающей среды.
В течение длительного времени в бетонах происходит изменение поровой структуры, наблюдается протекание структурообразующих, а иногда и деструктивных процессов и как результат – изменение свойств материала. С увеличением возраста бетона повышается его прочность, плотность, стойкость к воздействию окружающей среды. Свойства бетона определяются не только его составом и качеством исходных материалов, но и технологией приготовления и укладки бетонной смеси в конструкцию, условиями твердения бетона. Все эти факторы учитывают при проектировании бетона и производстве конструкций на его основе.
На органических вяжущих веществах (битум, синтетические смолы и т.д.) бетонную смесь получают без введения воды, что обеспечивает высокую плотность и непроницаемость бетонов. Многообразие вяжущих веществ, заполнителей, добавок и технологических приемов позволяет получать бетоны с самыми разнообразными свойствами.
Бетон является хрупким материалом: его прочность при сжатии в несколько раз выше прочности при растяжении. Для восприятия растягивающих напряжений бетон армируют стальными стержнями, получая железобетон. В железобетоне арматуру располагают так, чтобы она воспринимала растягивающие напряжения, а сжимающие напряжения передавались на бетон. Совместная работа арматуры и бетона обусловливается хорошим сцеплением между ними и приблизительно одинаковыми температурными коэффициентами линейного расширения. Бетон предохраняет арматуру от коррозии.
Бетонные и железобетонные конструкции изготовляют либо непосредственно на месте строительства – монолитный бетон и железобетон, либо на заводах и полигонах с последующим монтажом на строительной площадке – сборный бетон и железобетон.
Виды бетона
Бетон классифицируют по виду применяемого вяжущего материала: бетон на неорганических вяжущих материалах (цементный бетон, гипсобетон, силикатный бетон, кислотоупорный бетон, жаростойкий бетон, специальный бетон и другие) и бетон на органических вяжущих материалах (асфальтобетон, пластбетон).
Цементные бетоны, в зависимости от объемной массы (в кг/м3), подразделяются на особо тяжелые (более 2500), тяжелые (от 1800 до 2500), лёгкие (от 500 до 1800) и особо легкие (менее 500).
Особо тяжелые бетоны предназначены для специальных защитных сооружений (от радиоактивных воздействий); они изготовляются преимущественно на портландцементах и природных или искусственных заполнителях (магнетит, лимонит, барит, чугунный скрап, обрезки арматуры). Для улучшения защитных свойств от нейтронных излучений в особо тяжелые бетоны обычно вводят добавку карбида бора или другие добавки, содержащие легкие элементы – водород, литий, кадмий.
Наиболее распространены тяжелые бетоны, применяемые в железобетонных и бетонных конструкциях промышленных и гражданских зданий, в гидротехнических сооружениях, на строительстве каналов, транспортных и др. сооружений. Особое значение в гидротехническом строительстве приобретает стойкость бетонов, подвергающихся воздействию морских и пресных вод и атмосферы. К заполнителям для тяжелых бетонов предъявляются специальные требования. Суровые климатические условия ряда районов нашей страны привели к необходимости разработки и внедрения методов зимнего бетонирования. В районах с умеренным климатом большое значение имеют процессы ускорения твердения бетонов, что достигается применением быстротвердеющих цементов, тепловой обработкой (электропрогрев, пропаривание, автоклавная обработка), введением химических добавок и другими способами. К тяжёлым бетонам относится также силикатный бетон, в котором вяжущим является кальциевая известь.
Легкие бетоны изготавливают на гидравлическом вяжущем и пористых искусственных или природных заполнителях. Существует много разновидностей лёгкого бетона; они названы в зависимости от вида примененного заполнителя – вермикулитобетон, керамзитобетон, пемзобетон, перлитобетон, туфобетон и др.
Область применения легких бетонов – наружные стены и покрытия зданий, где требуются низкая теплопроводность и малый вес. Высокопрочный легкий бетон используется в несущих конструкциях промышленных и гражданских зданий (в целях уменьшения их собственного веса). К легким бетонам относятся также конструктивно-теплоизоляционные и конструктивные ячеистые бетоны. По способу образования пористой структуры и по виду вяжущего ячеистые бетоны разделяются на газобетоны и пенобетоны.
Особо легкие бетоны применяют главным образом как теплоизоляционные материалы.
Области применения бетона в современном строительстве постоянно расширяются. В перспективе намечается использование высокопрочных бетонов (тяжелых и легких), а также бетонов с заданными физико-техническими свойствами: малой усадкой и ползучестью, морозостойкостью, долговечностью, трещиностойкостью, теплопроводностью, жаростойкостью и защитными свойствами от радиоактивных воздействий. Для достижения этого потребуется проведение широкого круга исследований, предусматривающих разработку важнейших теоретических вопросов технологии тяжелых, легких и ячеистых бетонов: макро- и микроструктурной теорий прочности бетонов с учетом внутренних напряжений и микротрещинообразования, теорий кратковременных и длительных деформаций бетонов и др.
Бетону, старейшему, но всегда современному материалу, принадлежит большое будущее.