Бетонные и железобетонные изделия

МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ НА ОСНОВЕ

МИНЕРАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ

Бетонные и железобетонные изделия

Технология производства самого распространенного на земле строительного материала – бетона, изделий и конструкций на его основе развивается, переживая эволюционные и революционные периоды.

Вяжущие вещества на основе минеральных компонентов использовались с глубокой древности. Применение их на заре цивилизации (хижина с бетонным полом из Лепенски Вира) носило, видимо, случайный характер. Сознательно использовать бетон стали древние египтяне (пирамида в Гизе), за ними античные греки и римляне.Именно римляне превратили бетон в основной строительный материал. И сегодня одно единственное сооружение является уникальным свидетельством крепости римского бетона – Пантеон (рис. 17), сооруженный в 125 г. н.э. Пантеон – одно из величайших архитектурных сооружений с чудесной колоннадой, украшающей вход в здание, и громадным барабаном, который венчает потрясающий 47- метровый купол. И этот купол сделан из бетона. Пантеон в Риме уже вторую тысячу лет поражает современников своей грандиозностью.

Рис. 17. Пантеон Рис. 18. Марк Витрувий Полион

Витрувий (рис. 18) в своих «Аналах по архитектуре» описывает применение смеси извести и льняного масла для заделки трещин и швов в кирпичной кладке. Плиний Второй в «Натуральной Истории» сообщает об использовании известковых растворов, затворенных вином, свиным салом и фигами. С повсеместным развитием каменного (кирпичного) строительства смеси на основе минеральных вяжущих веществ начинают широко применяться в строительной практике.

Через двенадцать лет после патента Аспдина появился первый, официально зарегистрированный артефакт из железобетона – лодкаЖана Луи Ламбо, адвоката по профессии, с огромным успехом продемонстрированная на Парижской выставке 1855 г. Так начался век железобетона. В этом материале соединены в единое целое стальная арматура и бетон, который частично защищает металл арматуры от коррозии и воспринимает в этом композите сжимающие напряжения, а арматура – растягивающие усилия. Идеи Ламбо, и не только его, были развиты и реализованы в патенты Жозефом Монье. Им был получен патент на железобетон в 1880 г., а сам способ строительства из железобетона долгие годы назывался «Системой Монье».

В 1929 г. публикуется работа Эжена Фрейсине, в которой излагаются основы теории и практики преднапряженного железобетона, а в 1933 г. выходит монография профессора Закавказского института сооружений В. В. Михайлова «Напряженно-армированный бетон». Среди апологетов железобетона, проникнувшихся духом его эстетических и функциональных свойств, можно назвать архитекторов Огюста Пере, Ле Корбюзье (рис. 19, 20), Оскара Нимейера (рис. 21…23), Пьетро Луиджи Нерви (рис. 24…26).

Рис. 19. Французский архитектор Рис. 20. Вилла Савой в Пуасси.

и теоретик архитектуры Архитектор Ле Корбюзье

Ле Корбюзье (1887–1965)

Рис. 21. Бразильский архитектор Рис. 22. Кафедральный собор Оскар Нимейер Суарис Филью города Бразилиа.

(р. 1907) Архитектор Оскар Нимейер

Рис. 23. Культурный центр в небольшом испанском городе Авилес (слева), народный театр (справа). Архитектор Оскар Нимейер

Рис. 24. Пьетро Луиджи Нерви Рис. 25. Палаццетто

(1891–1979) (Малый дворец спорта) в Риме, 1957.

Архитектор Пьетро Луиджи Нерви

Рис. 26. Башня Пирелли в Милане (слева). Собор Девы Марии

в Сан-Франциско (справа). Архитектор Пьетро Луиджи Нерви

Пиком популярности железобетона и монолитного бетона можно считать 30…90 годы прошлого века. Прогресс и возрастающие требования к функциональным свойствам строительных материалов сказались и на требованиях к самому бетону. В начале шестидесятых годов технологически получаемая наибольшая прочность бетона составляет 40 МПа, в семидесятых – 50 МПа, в восьмидесятых – 70 МПа, в девяностых – 100…150 МПа. Все больший интерес проявляется к «высокофункциональным бетонам» НРС (High Performance Concrete), к бетонам, ориентированным на предельно высокие собственные характеристики: прочность на сжатие при срезе и изгибе; устойчивость при воздействии химически агрессивных веществ и газов; водонепроницаемость. Венцом стало получение бетона RPC (Reactive Powder Concrete), изготавливаемого из специально подобранных по составу и дисперсности компонентов, прочность которого достигает 800 МПа.

Имеющийся опыт и требования строительства позволяют выделить группу перспективных направлений модификации бетонных смесей и бетонов. Направление регулирования свойств бетонных смесей и бетонов введением в их состав модификаторов в виде совмещенных водорастворимых или водоразбавляемых продуктов полифункционального многоцелевого назначения на основе поверхностно-активных веществ и электролитов различной природы и механизма действия. Разработка регуляторов процессов схватывания и твердения на основе солей органических кислот и соединений олигомерно-полимерного состава, в том числе ускорителей твердения, не вызывающих коррозии арматуры. Расширения сырьевой базы создания и производства эффективных пластификаторов и суперпластификаторов, в том числе и многофункциональных добавок.

Использование добавок-модификаторов позволяет получать высокопрочные и высококачественные бетоны. Под высокопрочными Международная организация по строительству подразумевает бетоны, имеющие прочность на сжатие 60…130 МПа, а под высококачественными – бетоны с высокими эксплуатационными свойствами при водовяжущем отношении менее 0,4. Подобные бетоны находят все более широкое применение при строительстве в Японии, Норвегии, США, Франции. К непременным достоинствам таких бетонов относят улучшенную удобоукладываемость, перекачиваемость и прочность. Основные области их применения: высотное строительство, электростанции, морские гидротехнические сооружения, большепролетные мосты и инженерные сооружения, дорожные покрытия (рис. 27).

Рис. 27. Современные бетонные и железобетонные строения

Бетон – это искусственный камень (композит), получаемый в результате затвердевания квалифицированно запроектированной, тщательно перемешанной и в достаточной степени уплотненной бетонной смеси, обеспечивающей ему заданные свойства и состоящей из вяжущего, воды, добавок и заполнителей. Как композиту ему можно дать и такое определение: бетон – это композиционный материал, образованный объемным сочетанием разнородных по химическому, минералогическому составу, физико-механическим и другим свойствам компонентов с четкой границей раздела между ними, которые имеют прочную механическую (и) или химическую связь.

Бетонная смесь – это бесформенная, многокомпонентная, многофазная, правильно запроектированная и тщательно перемешанная масса, состоящая из вяжущего, заполнителей (наполнителей), воды, вовлеченного воздуха и различных добавок, способная под действием гравитационных сил или (и) внешних воздействий принимать необходимую форму, приобретать заданную плотность, однородность и способная к твердению.

В строительстве широко используются 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, полученных автоклавной обработкой), поэтому заполнители являются инертными материалами.

Однако они существенно влияют на структуру и свойства бетона, 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 используются преимущественно местные горные породы и отходы производства (шлаки и др.).

В бетонных смесях цемент занимает 10…15 %, 85…90 % – заполнители и вода. Для регулирования свойств бетона и бетонной смеси в их состав вводят различные химические добавки и активные минеральные компоненты, которые ускоряют или замедляют (по мере необходимости) схватывание бетонной смеси, делают ее более пластичной и удобоукладываемой, ускоряют твердение бетона, повышают его прочность, морозостойкость, регулируют собственные

деформации бетона, возникающие при его твердении, а также при необходимости изменяют и другие свойства бетона.

Бетон относится к композиционным материалам, его структурными элементами являются цементный камень (матрица), зерна заполнителя и контактный слой между ними. Сращивание матрицы и заполнителя, происходящее через контактный слой, обеспечивает структурную целостность бетона и распределение нагрузки между матрицей и заполнителем. Прочность бетона определяют по соответствующим характеристикам структурных элементов. Однако в анализе прочности, проницаемости и долговечности учитывают особенности бетона: наличие разнообразных пор и гелевой составляющей в матрице, изменение структуры и свойств со временем [16].

Бетоны 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 пористой 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.