|
История бетона
1. До нашего времени
сохранились великолепные древние сооружения, прочные
и долговечные. Раскопки показали, что кроме природных
камней — известняка, базальта и мрамора в древних сооружениях
применяли и бетон, причем античные строители использовали
два его вида: "природный" и искусственный
"Природный " бетон — это
камни, образовавшиеся из частиц обломочных горных пород
различного происхождения, связанных между собой каким-либо
минеральным склеивающим веществом, например кремнеземом,
кальцитом, гипсом, известью. Такие природные камни называют
цементированными породами. К ним можно отнести конгломерат,
песчаник и брекчию. Их строение оказалось очень сходным
со строением современного цементного бетона.
Но человек стремился получить материал,
не уступающий по прочности природным материалам, и поэтому
за образец брал именно их. И искусственные древние камни
— это уже настоящий бетон с глиной, гипсом и известью
в качестве вяжущего.
Простейший вид бетона — это твердый
камневидный материал из смеси глины с соломой и песком.
После просушки на солнце он становится достаточно прочным
и пригодным для постройки жилищ. Такой бетон был назван
глинобетоном. Если вместо глины применяются гипсовые
вяжущие материалы — воздушные вяжущие материалы, получаемые
на основе полуводного сульфата кальция либо безводного
сульфата кальция (ангидритовые вяжущие), то бетон называется
гипсовым бетоном или сокращенно — гипсобетоном. Если
вместо гипсовых вяжущих материалов применяется известь,
то бетон называется известковым бетоном.
Хотя эти бетоны и применялись в древних
сооружениях, но все же не получили широкого распространения,
так как глина, известь и особенно гипсовые вяжущие материалы
боятся воды. Глина быстро разбухает под дождем, и глинобитные
камни разрушаются. А гипсобетон и известковые бетоны
твердеют и упрочняются только в воздухе. Под дождем
они также постепенно разрушаются. Поэтому не случайно,
что древние строители чаще применяли не "искусственные"
камни — прототип нынешнего бетона, а блоки из "природного" бетона и естественных камней, высокопрочных и долговечных.
Так, например, римский храм Пантеон, воздвигнутый в
начале нашей эры, был покрыт бетонным куполом диаметром
в 40 метров. А при императоре Калигуле близ Неаполя
был построен из бетона мост, который сохранился до настоящего
времени.
За последние годы в гипсобетон вводят
добавки, замедляющие схватывание, а также повышающие
его водо- и атмосферостойкость.
Однако строители не прекращали попыток
создания прочного искусственного строительного материала.
Нужно было новое вяжущее, которое не боялось бы воды.
Уже в Древнем Риме при строительстве морских сооружений
было замечено, что если известь смешать с тонкомолотой
обожженной глиной (бой кирпича и черепицы) или пуцциоланой
( "Пуццолана" - рыхлая вулканическая порода,
представляющая собой жаростойкие глинистые материалы,
обожженные при вулканических извержениях. Название происходит
от местечка Поццуоли близ Неаполя.), то она не будет
разрушаться от действия воды и, более того, твердеть
в воде. Такая известь называется "гидравлической".
Русские строители в XYIII веке называли
такое водостойкое вяжущее "цементом" и широко
использовали его в строительстве. Известно, что Петр
I для постройки верфей в Лодейном Поле требовал присылки
не извести, а именно "цемента". Правда, этот
"цемент" мало чем был похож на современный
цемент. Он был крайне неоднороден и имел низкую прочность.
В разных странах велись многочисленные
научные исследования, чтобы изыскать полноценное гидравлическое
вяжущее.
И успех пришел. Такое вяжущее было,
наконец, найдено. Им оказался цемент, или каменный клей.
Его получил русский строитель Е. Челиев в начале XIX
века, обжигая смесь глины и извести до спекания, а затем
ее размалывая. Одновременно цемент был изобретен англичанином
Аспдином и назван "портландцементом" (по сходству
в затвердевшем виде с известняками из каменоломен близ
города Портланда). Позднее, уже во второй половине XIX
века, способ производства цемента был усовершенствован
профессором Петербургской военно-инженерной академии
А.Р. Шуляченко. Его по справедливости считают отцом
русского цементного производства. Под руководством А.Р.
Шуляченко качество цемента было настолько улучшено,
что отечественный цемент в России почти вытеснил иностранный
портландцемент. В России были построены цементные заводы
и цемент стал изготавливаться промышленным путем.
В чем же секрет клеящей способности
цемента? В высокой прочности и исключительном свойстве
превращаться в камень не только на воздухе, но и в воде.
Как же образуется цементный камень?
При смешивании цемента с водой начинается химическая
реакция, в процессе которой одни минералы, входящие
в состав цемента, распадаются на более простые химические
соединения, присоединяя к себе воду. Другие цементные
минералы соединяются с водой без химического разложения.
На границе соприкосновения воды и зерен цемента образуются
растворимые продукты реакции. Вода, воздействуя на цемент,
все более и более проникает в глубь цементных зерен
и обнажает следующий слой цементного зерна.
Этот слой в свою очередь вступает
во взаимодействие с ней. В результате образуются соединения,
также растворимые в жидкости, окружающей цементное зерно.
Процесс продолжается до тех пор, пока эта жидкость не
превратится в насыщенный раствор. Получается густое
и вязкое, как сметана, цементное тесто. Наконец, растворение
продуктов реакции прекращается и вокруг каждого цементного
зерна образуется студнеобразная клейковидная масса —
гель. Он обладает склеивающей способностью, которая
тем больше, чем он меньше разбавлен, т.е. разжижен водой.
Гель склеивает между собой зерна цемента, а в смеси
с заполнителями — и зерна песка, гравия, щебня.
Однако на этом процесс не останавливается.
Ведь зерна цемента продолжают химически взаимодействовать
с водой образованием геля, окружающего зерна. А это
приводит к тому, что цементный "клей" густеет
и теряет подвижность, как говорят строители, начинает
"схватываться". Затем начинается кристаллизация
их раствора. Это значит, что гидроокись кальция — трехкальциевый
гидроалюминат и другие новообразования создают структуру
цементного раствора. Образующиеся в результате этого
мельчайшие кристаллики все больше и больше пронизывают
гель и срастаются. По мере сгущения цементного клея
количество выпадающих в нем кристалликов увеличивается.
Так, цементный клей превращается в прочный камень!
Пытаясь получить "искусственный
камень", строители смешивали разнообразные по форме
камни и мелкий песок, а затем скрепляли их цементом,
растворенным в воде, после чего всей смеси давали затвердеть.
Новый материал по прочности не уступал природным конгломератам.
Он был назван бетоном. Применение цемента для изготовления
бетона сделало его незаменимым материалом в современном
строительстве.
Свойства бетона
2. Самым важным свойством
бетона является его прочность, т.е. способность сопротивляться
внешним силам не разрушаясь. Как и природный камень,
бетон лучше всего сопротивляется сжатию, поэтому за
критерий прочности бетона строители приняли предел прочности
бетона при сжатии. Чтобы определить прочность бетона,
из него изготовляют эталонный кубик с ребром 200 мм.
Затем на гидравлического прессе такой кубик подвергают
сжатию, доводя до разрушения. По этому, зная разрушающую
нагрузку и площадь поперечного сечения образца, можно
определить прочность. Например, если бетонный кубик
с ребром 200 мм разрушился при нагрузке 800 кН (80 тонн),
то предел прочности при сжатии будет равен 20 МПа (200
кгс/см2).
В зависимости от прочности на сжатие
бетон делится на марки. Марку бетона строители определяют
по пределу прочности эталонного кубика с ребром 200
мм. Так, в Советском Союзе в строительстве применяют
следующие марки бетона: 600,500, 400, 300, 250, 150,
100 и ниже. Выбор марки определяется условиями, в которых
будет работать бетон.
Прочность бетона зависит от прочности
каменного заполнителя (щебня, гравия) и от качества
растворенного в воде цемента: бетон будет тем прочнее,
чем прочнее каменные заполнители и чем лучше они будут
скреплены цементным клеем. Прочность природных камней
не изменяется со временем, а вот прочность бетона со
временем даже растет.
Другим важным свойством бетона является
средняя плотность — отношение массы материала ко всему
его объему (выражается в кг/мЗ, г/смЗ или процентах).
Средняя плотность бетона всегда меньше 100%.
Средняя плотность сильно влияет на
качество бетона, в том числе и на его прочность: чем
выше средняя плотность, бетона, тем он прочнее. Поры
в бетоне, как правило, появляются при его изготовлении:
в результате испарения излишней воды, не вступившей
в химическую реакцию с цементом при его твердении, при
плохом перемешивании бетонной смеси и, наконец, при
недостатке цемента.
Свойство, обратное средней плотности
бетона, — пористость — есть отношение объема пор к общему
объему материала, т.е. пористость "дополняет" среднюю плотность бетона до 100%. Как бы плотен ни был
бетон, в нем всегда есть поры!
Водостойкость — это свойство бетона
противостоять действию воды не разрушаясь. Чтобы определить
водостойкость бетона, изготовляют два образца: один
в сухом виде раздавливают на прессе и определяют его
нормальную прочность. Другой образец предварительно
погружают в воду, а после насыщения водой также разрушают
на прессе. Из-за ослабления связей между частицами прочность
образца уменьшается. Отношение прочности насыщенного
водой образца к прочности в сухом виде называется коэффициентом
размягчения материала. Для бетона он больше 0,8. Кроме
того, на водостойкость бетона оказывают влияние гидратные
новообразования, которые имеют очень низкую растворимость.
Поэтому бетон является водостойким и может применяться
для сооружений, подвергающихся действию воды — плотин,
пирсов, молов.
Теплопроводность характеризует способность
бетона передавать через" свою толщину тепловой
поток, возникающий из-за разности температур на поверхностях
бетона. Теплопроводность бетона почти в 50 раз меньше,
чем у стали, но зато выше, чем у строительного кирпича.
Сравнительно невысокая теплопроводность
обеспечивает бетону довольно высокую огнестойкость —
способность материала выдерживать действие высоких температур.
Бетон может выдержать в течение длительного времени
температуру выше 1000°С. При этом он не разрушается
и не трескается.
Все знают, что если в поры камней
проникает вода, то, замерзая, она расширяется и тем
самым разрушает даже самые крепкие горные породы. Бетон
же при насыщении водой может выдерживать многократное
замораживание и оттаивание. При этом он не разрушается
и почти не снижает своей прочности. Это свойство называется
морозостойкостью.
Средняя плотность бетона может быть
разной. Она зависит от заполнителей, которые используются
в бетоне. По этому признаку бетоны делятся на три вида:
тяжелый, легкий и особо легкий. Эта классификация зависит
от массы заполнителя, применяемого при изготовлении
бетона. Так, например, бетон на естественных заполнителях
из гранита, известняка, доломита имеет среднюю плотность
2200-2400 кг/мЗ, а прочность его достигает 60 МПа (или
600 кгс/см2). Такой бетон называют тяжелым. А вот бетон
на щебне из легких каменных пород (пемза или туф) имеет
меньшую среднюю плотность — обычно 1600— 1800 кг/мЗ
и называется легким бетоном. Если бетон изготовить на
искусственных легких пористых заполнителях из обожженных
до спекания глиняных материалов, как, например, керамзит,
аглопорит, шлаковая пемза, зольный гравий и т.п., то
можно получить целую гамму легких бетонов с различной
средней плотностью - до 1800 кг/мЗ. Их прочность колеблется
от 7,5 до 40 МПа (75 до 400 кгс/см^).
Применение тяжелого или легкого бетона
определяется типом конструкции и условиями ее эксплуатации.
По назначению бетоны подразделяются
на бетон обычный — для изготовления колонн, балок, плит
и тому подобных конструкций; бетон гидротехнический
— для плотин, шлюзов, облицовки каналов; бетон для подземных
сооружений — для изготовления труб колодцев, резервуаров;
бетон для дорожных покрытий; бетоны специального назначения
на специальных видах цемента — кислотоупорный, жаростойкий
и т.п.
Из чего делают бетон ?
3. Проектируя новую
машину, конструктор решает, какую форму нужно придать
тем или иным ее деталям. Он устанавливает заранее, какой
должна быть прочность этих деталей. Но ведь прочность
будет зависеть от материала! Значит, нужно подобрать
соответствующий материал.
Точно так же обстоит дело в строительстве.
Строителю необходимо предварительно знать, какими свойствами
должен обладать изготовленный им бетон, какова будет
его прочность, как на него будет действовать жара и
мороз.
Но состав бетона не может быть универсальным.
Его нельзя назначить по одному рецепту, который пригоден
для всех случаев. Состав бетона, как и состав сплава
в металлургии, должен быть запроектирован заранее. Он
зависит от того, в каком сооружении будет применяться
бетон.
Чтобы получать бетон заданного состава,
нужно разработать его "рецептуру". Советские
ученые Н.М. Беляев, С.А. Миронов, Н.А. Попов, Б.Г. Скрамтаев,
Ю.М. Баженов и В.Г. Довжик разработали технологию бетона,
благодаря которой стало возможным изготовлять бетон
с заранее известными свойствами. Для этого нужно правильно
подобрать наивыгоднейшие пропорции (количество) исходных
материалов, входящих в состав бетона. Но прочность бетона
зависит не только от того, в каких количествах взяты
его составные части; большое значение будет иметь также
качество исходных материалов - крупного каменного заполнителя,
песка, цемента и воды. Их берут в определенных количествах,
а затем перемешивают между собой.
акими качествами должны обладать
эти исходные материалы?
4. Начнем с крупного
заполнителя - гравия или щебня.
Гравий - это в различной степени обкатанные
обломки самых прочных горных пород (гранита, диорита,
базальта, темно-серого известняка) круглой или яйцевидной
формы с гладкой поверхностью. Размер этих зерен от 5
до 70 мм. По своему происхождению различают гравий горный
(отважный), речной и морской. В горном гравии обычно
содержатся вредные примеси глины, пыли, песка, органических
веществ, сернистых и сернокислых соединений. В речном
и морском гравии примеси почти отсутствуют.
Щебень - это материал, который получают
при дроблении горных пород или искусственных камней
на куски размером также от 5 до 70 мм. Зерна щебня имеют
неправильную форму, поверхность их шероховатая. Поэтому
щебень прочнее сцепляется с цементным камнем, чем гравий.
Прочность крупного заполнителя особенно важна, так как
именно он образует скелет бетона. Поэтому крупный заполнитель
должен быть, как правило, в два-три раза прочнее самого
бетона.
Чтобы обеспечить высокое качество
бетона, крупный заполнитель должен быть чистым и не
содержать вредных примесей. В нем должно быть не более
15% (по массе) зерен, имеющих форму игл и пластинок.
Крупный заполнитель не должен вступать в химические
реакции с веществами, содержащимися в цементе. Чтобы
уменьшить влияние вредных примесей, заполнители перед
использованием промывают.
К крупным заполнителям относятся и
пористые заполнители - пемза, туф, вулканические шлаки.
Эти заполнители благодаря своей структуре поглощают
много воды. Отсасывая из бетона лишнюю воду, они способствуют
его упрочнению. Недостатком пористых заполнителей является
то, что для бетона с применением таких заполнителей
требуется больше цемента, чем для бетона на плотных
заполнителях.
К мелким заполнителям относятся различные
пески. Песком называются рыхлые горные породы, которые
состоят из зерен различных материалов (чаще всего кварца)
размером от 0,1 до 5 мм. Пески бывают природными и искусственными.
Оба эти типа пригодны для изготовления обычного тяжелого
бетона.
Пески различаются по минералогическому
составу и в зависимости от условий образования и места
залегания. По минералогическому составу пески бывают
кварцевые, полевошпатные, известняковые и доломитовые.
По условиям образования пески подразделяются
на горные, овражные речные, морские, гравийные, валунные,
дюнные и барханные. Они отличаются друг от друга только
по структуре и форме. Зерна морского и речного песков
округлой формы с гладкой поверхностью, зерна же горного
песка, который чаще всего образуется при разрушении
гранита и диорита, имеют угловатую форму и шероховатую
поверхность. Зерна овражного песка также имеют угловатую
форму, но по сравнению с зернами горного песка несколько
сглаженную. Все пески содержат вредные для бетона примеси:
уголь, пыль, глину, гипс, слюду, серный колчедан и различные
органические примеси, которые оказывают влияние на цементный
клей, понижая его прочность и в конечном счете вызывая
разрушение бетона. Вредной примесью являются сульфаты,
а также частицы гипса. Они образуют с частицами цемента
особые соединения в виде тонких игл. Их часто образно
называли "цементной бациллой".
Под действием воды "цементная
бацилла" превращается в дальнейшем в жидкую белую
слизь, вытекающую из бетона. Такой "больной" бетон непригоден для эксплуатации.
Морской песок иногда содержит ракушки,
состоящие в основном из известняка. Они ослабляют сцепление
песка с другими составляющими бетона. Кроме того, в
морском песке содержатся соли, выделяющиеся на поверхности
бетона.
Наиболее чистый песок - речной. Но
он не всегда удовлетворяет строителей, так как часто
бывает очень мелким. А это при изготовлении бетона требует
большого количества цемента.
Так же как и крупный заполнитель,
песок перед употреблением должен быть обязательно промыт
водой в машинах-пескомойках.
Чтобы получить высокую прочность бетона,
надо правильно подобрать зерновой состав заполнителей.
А это значит, что надо так составить из них смесь, чтобы
между зернами было как можно меньше пустот, которые
приходится заполнять цементным тестом. Песок одной крупности
имеет в своем объеме около 45% пустот. Песок же, составленный
из зерен разной крупности, гораздо плотнее.
|
