Бетон

Бето́н (от фр. béton) — искусственный каменный материал на минеральном или органическом вяжущем веществе с крупным и мелким заполнителями. Для цементного бетона добавляют воду, для битумного и смоляного воду не вводят, что повышает плотность и водонепроницаемость материала.

История

Самые первые образцы бетона обнаружены в поселении Лепенски-Вир на территории современной Сербии и датируются 5600 годом до нашей эры. Пол древней хижины выполнен из известково-гравийного бетона толщиной 25 см с применением красной глины. Археологические находки подтверждают широкое использование примитивных бетонных смесей в Месопотамии, Египте, Индии и Китае для строительства жилищ, храмов и оборонительных сооружений.

Древние римляне называли строительный раствор «опус цементиум» (opus caementitium), что означало смесь из дроблёного и обожжённого известняка с различными заполнителями. Римские инженеры открыли эффективность пуццолановых добавок — вулканического пепла, существенно повышавшего физические характеристики бетона. Купол Пантеона в Риме, завершённый в 128 году, имеет диаметр 43,3 метра и до сих пор остаётся крупнейшим в мире неармированным бетонным куполом. Римский бетон обладал способностью твердеть под водой и сохранять прочность в течение столетий.

После упадка Римской империи технология изготовления качественного бетона была утрачена на тысячу лет. В период раннего Средневековья крупные архитектурные объекты возводились исключительно из тёсаного камня. В древнерусском зодчестве применялись известковые растворы различного состава. При строительстве каменных храмов в Новгороде, Пскове, Владимире, Суздале использовались смеси извести с песком и толчёной плинфой (тонким кирпичом). Псковские мастера XIV–XV веков применяли известковые растворы с добавлением толчёного известняка местных месторождений.

Возрождение бетонных технологий началось в XVIII веке. В 1756 году британский инженер Джон Смитон при строительстве маяка Эддистон разработал гидравлический цемент, способный твердеть под водой. Смитон экспериментировал со смесями извести и глины, достигнув значительного улучшения водостойкости раствора. В 1796 году Джеймс Паркер получил патент на «римский цемент», изготавливаемый обжигом глинистого известняка при температуре 900–1000 °C.

Революционным открытием стало изобретение портландцемента. В 1817 году французский учёный Луи Вика разработал технологию производства цементного клинкера путём обжига смеси известняка и глины при высокой температуре. В 1824 году британский каменщик Джозеф Аспдин запатентовал портландцемент, названный так по сходству затвердевшего раствора с портлендским камнем. В 1844 году Исаак Чарльз Джонсон усовершенствовал процесс производства, повысив температуру обжига до 1450 °C, что позволило получить цемент, близкий к современному.

В России первые цементные заводы появились в 1860-х годах. Завод «Гельзенкирхен» начал производство цемента в 1882 году, используя местные мергели. К началу XX века в стране действовало более 60 цементных предприятий. Развитие отечественного бетоностроения связано с именами учёных И. Малюги, Н. Белянкина, Г. Скрамтаева, С. Миронова, заложивших научные основы технологии бетона и железобетона.

Состав и материалы

Бетонная смесь состоит из вяжущего вещества, воды, мелкого заполнителя (песка) и крупного заполнителя (щебня или гравия). Вяжущее вещество, чаще всего портландцемент, при взаимодействии с водой образует цементный камень, связывающий частицы заполнителей в монолитную массу. Заполнители создают жёсткий «скелет» бетона, занимая 70–85 % его объёма, и значительно снижают усадочные деформации.

Портландцемент получают совместным помолом портландцементного клинкера, гипсового камня и минеральных добавок. Клинкер производится обжигом до спекания сырьевой смеси известняка и глины при температуре 1450–1480 °C. Основными минералами портландцементного клинкера являются алит (3CaO·SiO2), белит (2CaO·SiO2), трёхкальциевый алюминат (3CaO·Al2O3) и алюмоферрит кальция (4CaO·Al2O3·Fe2O3).

Песок должен иметь зёрна размером от 0,16 до 5,0 мм с преобладанием фракций 0,5–2,0 мм. Оптимальным считается песок средней крупности с модулем крупности 2,0–2,5. Глинистые и пылевидные примеси резко снижают прочность бетона, поэтому их содержание нормируется. Крупный заполнитель должен обладать высокой прочностью, морозостойкостью и низким водопоглощением. Максимальная крупность зёрен щебня или гравия не должна превышать 1/3 наименьшего размера сечения конструкции.

Минеральные добавки

Минеральные добавки частично заменяют портландцементный клинкер, улучшая технологические и эксплуатационные свойства бетона. Зола-уноса тепловых электростанций применяется в количестве до 60 % от массы вяжущего. Зола класса F (с содержанием CaO менее 10 %) обладает пуццолановыми свойствами, класса C (с содержанием CaO более 20 %) проявляет самостоятельную вяжущую активность.

Гранулированный доменный шлак в тонкомолотом виде может заменять до 80 % портландцемента. Шлак активируется щелочными соединениями, входящими в состав цемента, или специальными активаторами. Микрокремнезём представляет частицы аморфного кремнезёма размером 0,1–0,3 мкм, получаемые как побочный продукт при выплавке ферросилиция. Высокая удельная поверхность микрокремнезёма (15 000–25 000 м2/кг) требует применения суперпластификаторов.

Типовой химический состав портландцемента включает SiO2 — 20–22 %, Al2O3 — 4–8 %, Fe2O3 — 2–5 %, CaO — 62–67 %, MgO — 1–5 %, SO3 — 1–3 %, щёлочи R2O — 0,2–1,2 %. Удельная поверхность составляет 250–400 м2/кг, истинная плотность — 3,0–3,2 г/см3. Зола-уноса класса F содержит SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 не менее 70 %, CaO менее 10 %. Гранулированный шлак характеризуется модулем основности (CaO + MgO)/(SiO2 + Al2O3) в пределах 0,85–1,35.

Химические добавки

Пластификаторы снижают водопотребность бетонной смеси на 5–8 % при сохранении подвижности или повышают подвижность при постоянном водоцементном отношении. К пластификаторам относятся лигносульфонаты технические, получаемые при производстве целлюлозы, и их модификации. Суперпластификаторы обеспечивают снижение водопотребности на 15–25 % или значительное повышение подвижности смеси. Наиболее эффективными являются поликарбоксилатные суперпластификаторы.

Воздухововлекающие добавки создают в бетоне систему мельчайших воздушных пор размером 10–300 мкм, равномерно распределённых по объёму. Вовлечённый воздух повышает морозостойкость и водонепроницаемость бетона, но снижает прочность на 4–6 % на каждый процент воздухововлечения. Применяются смолы древесные омыленные, натриевые соли синтетических жирных кислот, пенообразующие добавки на основе протеинов.

Замедлители схватывания увеличивают продолжительность схватывания цемента на 1–10 часов. К ним относятся сахар и его производные, глюконат натрия, винная и лимонная кислоты, фосфаты. Ускорители твердения сокращают сроки схватывания и повышают раннюю прочность бетона. Применяются хлорид кальция, нитрат кальция, сульфат натрия, формиат натрия. Хлорсодержащие добавки вызывают коррозию арматуры и запрещены при изготовлении железобетонных конструкций.

Противоморозные добавки позволяют вести бетонирование при отрицательных температурах без подогрева. Используются нитрит натрия, нитрат натрия, поташ, хлорид натрия. Эти добавки снижают температуру замерзания жидкой фазы бетона и ускоряют процессы гидратации цемента. Ингибиторы коррозии арматуры замедляют коррозионные процессы в железобетоне. Применяются нитрит натрия-кальция, бензоат натрия, алканоламины.

Альтернативные вяжущие

Кроме портландцемента применяются другие виды вяжущих веществ. Глинозёмистый цемент получают плавлением или спеканием сырьевых материалов, богатых глинозёмом и оксидом кальция. Обладает быстрым твердением и высокой прочностью, но дорогой в производстве. Расширяющиеся цементы при твердении увеличиваются в объёме, что позволяет получать напряжённые конструкции без предварительного напряжения арматуры.

Щелочные цементы производятся активацией доменных шлаков, зол-уноса или природных алюмосиликатов щелочными растворами. Характеризуются быстрым набором прочности, низкой теплотой гидратации, высокой коррозионной стойкостью. Магнезиальные вяжущие на основе каустического магнезита применяются для устройства бесшовных полов и получения декоративных изделий.

Классификация и свойства

Классификация бетонов

Бетоны классифицируются по назначению, виду вяжущего, заполнителям, структуре и условиям твердения. По назначению различают конструкционные бетоны для несущих элементов зданий и сооружений, специальные бетоны с заданными свойствами (гидротехнические, дорожные, жаростойкие, химически стойкие, радиационно-защитные), а также бетоны специального назначения (декоративные, теплоизоляционные, звукопоглощающие).

По виду вяжущего выделяют цементные бетоны на портландцементе и его разновидностях, силикатные бетоны на известково-кремнезёмистых вяжущих, гипсовые бетоны, шлаковые бетоны на основе металлургических шлаков, полимербетоны с полимерными связующими. По виду заполнителей различают бетоны на плотных заполнителях (щебень, гравий), лёгких заполнителях (керамзит, аглопорит, вспученный перлит), особо лёгких заполнителях (полистиролбетон).

По структуре бетоны подразделяются на плотные, поризованные, крупнопористые и ячеистые. Плотные бетоны имеют межзерновые пустоты заполнителя, заполненные затвердевшим цементным камнем. В поризованных бетонах часть межзерновых пустот заполнена воздухом. Крупнопористые бетоны практически не содержат мелкого заполнителя, а межзерновые пустоты крупного заполнителя частично заполнены цементным камнем. Ячеистые бетоны характеризуются наличием искусственно созданных замкнутых пор.

Прочностные характеристики

Прочность бетона при сжатии является основным показателем его качества. Класс прочности бетона В обозначает гарантированную прочность в мегапаскалях с обеспеченностью 0,95. Соответствие классов прочности и средних значений составляет: В3,5 — 4,5 МПа, В7,5 — 9,8 МПа, В12,5 — 16,3 МПа, В15 — 19,6 МПа, В20 — 26,2 МПа, В25 — 32,7 МПа, В30 — 39,2 МПа, В35 — 45,8 МПа, В40 — 52,4 МПа, В45 — 58,9 МПа, В50 — 65,5 МПа.

Прочность бетона при растяжении составляет 8–15 % от прочности при сжатии и определяется при растяжении образцов-восьмёрок или методом раскалывания цилиндров. Прочность при изгибе в 1,5–2,0 раза выше прочности при растяжении. Предел прочности при срезе составляет 20–40 % от прочности при сжатии.

Модуль упругости бетона зависит от его прочности, возраста и свойств заполнителей. Начальный модуль упругости тяжёлого бетона класса В25 составляет 30 000 МПа. Модуль деформаций при длительном нагружении в 2–4 раза меньше начального модуля упругости вследствие проявления ползучести бетона.

Класс бетона по прочности	Ближайшая марка бетона по прочности	Современное международное обозначение
B3,5	М50	—
B5	М75	—
B7,5	М100	—
B10	М150	С8/10
B12,5	М150	С10/12,5
B15	М200	С12/15
B20	М250	С16/20
B22,5	М300	С18/22,5
B25	М350	С20/25
B27,5	М350	С22/27,5
B30	М400	С25/30
B35	М450	С28/35
—	—	С30/37
B40	М550	С32/40
B45	М600	С35/45
B50	М700	С40/50
B55	М750	С45/55
B60	М800	С50/60
—	—	С55/67
B70	М900	—
—	—	С60/75
B80	М1000	—
—	—	С70/85
B90	—	—
—	—	С80/95
B100	—	—
—	—	С90/105
B110	—	—
B120	—	—

Деформативные свойства

Усадка бетона происходит при твердении на воздухе и составляет для тяжёлого бетона 0,2–0,5 мм/м. Контракционная усадка связана с химическими процессами гидратации цемента. Влажностная усадка обусловлена потерей воды при высыхании. Карбонизационная усадка вызывается взаимодействием гидроксида кальция с углекислым газом воздуха.

Укладка бетонной смеси

Ползучесть бетона проявляется в нарастании деформаций при длительном действии постоянной нагрузки. Мера ползучести характеризуется коэффициентом ползучести, равным отношению деформации ползучести к мгновенной упругой деформации. Для тяжёлого бетона коэффициент ползучести составляет 1,5–4,0. Ползучесть снижается с увеличением прочности бетона, возраста загружения, влажности окружающей среды.

Технологические свойства

Удобоукладываемость бетонной смеси характеризуется подвижностью, жёсткостью или расплывом конуса. Подвижность определяется осадкой стандартного конуса и обозначается марками П1 (1–4 см), П2 (5–9 см), П3 (10–15 см), П4 (16–20 см), П5 (более 21 см). Жёсткость измеряется временем вибрирования в секундах до выравнивания поверхности конуса и обозначается Ж1 (5–10 с), Ж2 (11–20 с), Ж3 (21–30 с), Ж4 (31–60 с).

Сохраняемость подвижности характеризует способность бетонной смеси сохранять требуемую удобоукладываемость в течение определённого времени. Обычные цементные смеси сохраняют подвижность 1–2 часа, смеси с замедлителями — до 8–12 часов. Расслаиваемость смеси проявляется в отделении крупного заполнителя при транспортировании и укладке. Водоотделение характеризуется выделением воды на поверхности уложенной смеси.

Морозостойкость бетона обозначается маркой F с цифрой, указывающей количество циклов замораживания-оттаивания: F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F800, F1000. Водонепроницаемость характеризуется маркой W2, W4, W6, W8, W10, W12, W14, W16, W18, W20, где цифра обозначает давление воды в кгс/см2, при котором не наблюдается её проникание через образец-цилиндр.

Коррозионная стойкость бетона зависит от плотности, водонепроницаемости и химического состава цементного камня. Бетон подвержен коррозии первого вида (выщелачивание), второго вида (химическое взаимодействие) и третьего вида (кристаллизационные процессы). Для повышения коррозионной стойкости применяют сульфатостойкие цементы, плотные бетоны, защитные покрытия.

Технология производства

Подбор состава бетона

Подбор состава бетона выполняется исходя из требуемых характеристик и условий применения. Основными параметрами являются класс прочности, марка по морозостойкости и водонепроницаемости, требуемая подвижность смеси. Водоцементное отношение определяется по зависимости между прочностью бетона и отношением В/Ц с учётом активности цемента и качества заполнителей.

Расход цемента рассчитывается по формуле Ц = В/(В/Ц), где В — расход воды, определяемый по требуемой подвижности смеси и характеристикам заполнителей. Минимальный расход цемента устанавливается исходя из требований к долговечности и составляет 200–400 кг/м3 в зависимости от условий эксплуатации. Максимальный расход ограничивается экономическими соображениями и требованиями к трещиностойкости.

Расход заполнителей определяется методом абсолютных объёмов или экспериментально-расчётным путём. Оптимальное соотношение песка и щебня обеспечивает минимальную пустотность смеси заполнителей. Содержание песка составляет 35–45 % от общей массы заполнителей для бетонов средней прочности.

Приготовление бетонной смеси

Приготовление бетонной смеси осуществляется в бетоносмесителях различных типов. Принудительное перемешивание обеспечивает лучшую однородность по сравнению со свободным падением компонентов. Продолжительность перемешивания зависит от объёма смесителя и составляет 1–3 минуты для смесителей объёмом до 1 м3.

Дозирование компонентов выполняется по массе с точностью ±1 % для цемента, ±2 % для заполнителей, ±1 % для воды и добавок. Влажность заполнителей определяется перед приготовлением каждой замеси для корректировки количества воды затворения. Химические добавки вводятся в виде водных растворов определённой концентрации.

Бетономешалка

Последовательность загрузки материалов влияет на качество перемешивания. Обычно загружают крупный заполнитель, часть воды, цемент, песок и остальную воду с добавками. При использовании микрокремнезёма его предварительно смешивают с частью цемента или вводят в виде суспензии. Готовность смеси определяется визуально по достижению однородной консистенции.

Транспортирование и укладка

Транспортирование бетонной смеси должно исключать расслоение, потерю подвижности и загрязнение. Автобетоносмесители обеспечивают сохранность свойств смеси при доставке на расстояние до 50–80 км. Бетононасосы применяются для подачи смеси в труднодоступные места на высоту до 200 м и дальность до 1000 м.

Укладка бетонной смеси производится слоями толщиной 30–50 см с обязательным виброуплотнением. Глубинные вибраторы погружаются в нижележащий слой на 5–10 см для обеспечения связи между слоями. Продолжительность вибрирования составляет 5-15 секунд до появления цементного молока на поверхности и прекращения выделения пузырьков воздуха.

Поверхность уложенного бетона заглаживается виброрейками или гладилками. При бетонировании в зимних условиях смесь должна иметь температуру не ниже +5 °C. Перерывы в бетонировании не должны превышать время начала схватывания цемента. Рабочие швы устраиваются перпендикулярно к оси элемента в местах с наименьшими усилиями.

Твердение и уход за бетоном

Твердение бетона происходит в результате гидратации цементных минералов. Схватывание обычного портландцемента начинается через 2–4 часа и заканчивается через 6–8 часов после затворения. Основная прочность набирается в первые 28 суток, составляя 65–70 % от марочной в возрасте 7 суток и 90–95 % в возрасте 28 суток.

Уход за твердеющим бетоном направлен на создание оптимальных температурно-влажностных условий. В летних условиях поверхность бетона укрывают влажными материалами, поливают водой, применяют плёнкообразующие составы. Распалубливание производится при достижении бетоном 50–70 % проектной прочности в зависимости от вида конструкций.

Зимнее бетонирование требует специальных мероприятий для предотвращения замерзания воды в бетоне. Применяются методы термоса, электропрогрева, паропрогрева, использование противоморозных добавок. При электропрогреве в бетон закладываются струнные, стержневые или полосовые электроды. Температура прогрева не должна превышать 60–80 °C.

Укладка и уплотнение бетона

Пропаривание железобетонных изделий производится в камерах при температуре 80–95 °C и относительной влажности 90–95 %. Режим включает подъём температуры со скоростью 15–20 °C/час, изотермическую выдержку 6–12 часов и остывание со скоростью 15–30 °C/час. Автоклавная обработка при температуре 175–200 °C и давлении 0,9–1,6 МПа ускоряет твердение в 15–20 раз.

Литература

• Байбурин А. Х., Кочарина Е. Н., Кочарин Н. В., Киянец А. В., Лебедь А. Р. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ДОБАВОК НА СВОЙСТВА БЕТОНА // ИВД. — 2022. — № 6 (90).
• Бетон // Военная энциклопедия : [в 18 т.] / под ред. В. Ф. Новицкого … [и др.]. — СПб. ; [М.]: Тип. т-ва И. Д. Сытина, 1911–1915.
• Бетон // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890–1907.
• Дворкин Л. И., Дворкин О. Л. Специальные бетоны. — М.: Инфра-Инженерия, 2012.
• Машукова А.И., Матвеев С.Ф., Дорофеева Н.Л. История создания бетона // Science Time. — 2015. — № 3 (15).
• Мещеряков Ю. Г., Фёдоров С. В. Строительные материалы : учебник для студентов ВО, обучающихся по направлению подготовки 08.03.01. — Строительство. — СПб.: АНО ДПО Техническая академия Росатома, 2019.
• Мещеряков Ю. Г., Фёдоров С. В., Сучков В. П. Гидравлические вяжущие. Бетоны. Строительные растворы : учебное пособие. — СПб.: АНО ДПО Техническая академия Росатома, 2019.
• Мощанский Н. А. Плотность и стойкость бетонов. — М.: Госстройиздат, 1951. — 175 с.
• Пирожников Л. Б. Занимательно о бетоне / Под. ред. А. Н. Попова. — 2, доп.. — М.: Стройиздат, 1986. — 104 с.
• Сандан А.С. Методы ускорения твердения бетонов и их влияние на структуру бетона // Вестник Тувинского государственного университета. Технические и физико-математические науки. — 2013. — № 3.