Когда был изобретен бетон?

Все о бетоне

К сожалению, ученые не знают, когда и кто начал смешивать размоченную землю или глину с камнями. Есть только данные археологов — возраст построек, в которых обнаружили бетон, приблизительно 6000 лет. Первые образцы обнаружили в Древней Месопотамии, а в Древнем Риме бетон применяли во многих строениях.

Согласно археологическим исследованиям, история бетона началась со смеси гравия и красной природной извести: в древней хижине на берегу Дуная нашли пол толщиной 25 см. Причем такой извести в этой местности не было, ее доставляли по реке на расстояние до 400 км. Это свидетельствует о том, что древние строители хорошо знали о бетоне, его преимуществах, свойствах и способе изготовления, и специально изготавливали его, несмотря на сложности.

Интересна история бетона в странах Азии — Великую Китайскую стену и многие древние храмы Индии возводили с применением бетона. Потом в качестве связующего начали применять известь, что существенно улучшило его физические показатели. Наиболее «оригинальные» и богатые строители добавляли в бетон яичные желтки. В африканских странах для изготовления бетона использовали глину.

Многие ученые утверждают, что применять материал начали задолго до даты, определенной археологами. Но эти строения не сохранились до наших дней.

Настоящий расцвет бетон получил с появлением портландцемента — поистине уникального строительного материала. Одно из наиболее привлекательных свойств портландцемента — прочность бетона из него со временем увеличивается. Около 50% максимальной прочности он набирает за первые 10–14 дней, дальше набор прочности может продолжаться десятилетиями.

Портландцемент начали массово использовать с середины 19 века. Изобретение вибраторов позволило существенно увеличить прочность бетона и расширить сферы применения.

В дальнейшем история бетона тесно связана с использованием арматуры — появилась возможность создавать очень прочные и относительно легкие строительные и инженерные конструкции. Первым начал применять железные прутья для усиления бетона британец Уилкинсон (1854 год), в дальнейшем многие строители совершенствовали технологию изготовления железобетона.

В 20-м веке разработали технологию производства предварительно нагруженных железобетонных конструкций, после чего бетон стали применять во всех наиболее ответственных строительных конструкциях. Железобетон и сейчас занимает одну из лидирующих позиций среди всех существующих строительных материалов.

Процесс уменьшения линейных размеров (объема) бетона с течением времени в результате химических, физических, физико-химических процессов называется усадкой.

Виды усадки в зависимости от времени прохождения процессов:

  • до затвердевания, или пластическая — усадка свежеуложенной уплотненной бетонной смеси;
  • твердеющего бетона — до достижения проектного возраста;
  • бетона зрелого возраста — после достижения проектного возраста.

Виды усадки в зависимости от её причин:

  • Контракционная — усадка в результате физических и химических процессов при реагировании исходных веществ в цементном камне (гидратация);
  • Карбонизационная — усадка, появляющаяся в результате химических процессов между продуктами гидратации и компонентами, проникающими из внешней среды;
  • Радиационная и влажностная при высыхании — усадка, образующаяся в результате физических и физико-химических процессов, приводящих к обезвоживанию, то есть удалению воды из структуры бетона.

Сразу после укладки и уплотнения бетона (первые 4–6 часов), если вода испаряется из смеси, развивается пластическая усадка. Деформации достигают до 2-3% объема бетона и пропорциональны объему испарившейся воды. Пластическая усадка бетонной смеси категорически недопустима, так как это необратимо ухудшает свойства бетона.

Деформации усадки при постоянных условиях внешней среды развиваются длительное время. В процессе химической реакции гидроксида кальция с углекислым газом образуется карбонит кальция, а образующиеся гидросиликаты кальция впоследствии разлагаются. Это и служит причиной усадки, поскольку первоначальный объем реагирующих веществ больше объема получившихся новообразований. Эти процессы идут до установления гигрометрического равновесия промежуточных значений.

Явление, в результате которого объем результирующих новообразований становится меньше суммарного объема веществ, вступающих в реакцию, называется контракцией. Обычно она составляет около 3-5 мл на 100 г цемента.

Общая контракция разделяется на контракционную пористость и контракционную усадку.

  • контракционная пористость представляет собой появление внутри цементного камня сферических пор в результате его гидратации.
  • контракционная усадка — уменьшение объема цементного камня в целом.

Соотношение между объемами контракционной усадки и контракционной пористости зависит от свойств цемента и может быть различным.

На нормативную прочность бетона при растяжении (R н р) влияют те же факторы, что и на прочность при сжатии, причем особенно существенное значение здесь имеет неоднородность структуры бетона. Хотя разные факторы сказываются на величинах R и R н р по-разному. Увеличение расхода цемента увеличивает прочность R н р значительно меньше, чем R. Повышение расхода цемента на 33% увеличивает R на 28,5%, а R н р всего на 12,5%. С ростом В/Ц (водоцеметное соотношение) сопротивление разрыву уменьшается меньше, чем сопротивление сжатию.

Кроме того, величина R н р зависит от зернового состава заполнителя и видов зерен. Песок и гравий с округленными зернами обуславливают меньшую величину прочности нежели песок и щебень с шероховатыми угловатыми зернами. А на величину R эти факторы влияния не оказывают.

При сравнении показателей прочности у бетонов разных марок выясняется, что отношение R н р/R уменьшается с повышением марки, то есть получается, что бетоны высоких марок обладают относительно меньшей прочностью на растяжение.

Стандарты не требуют специальных испытаний бетона на растяжение и не дают никаких указаний о размерах и форме образцов. Однако, чтобы обеспечить равномерное распределение нагрузки по сечению образца, он должен иметь длину, превышающую поперечный размер не менее чем в 3 раза. Разрывное усилие, как правило, передается через специальные заплечики на концах образца. Важно перед испытанием предохранить образцы от резких перепадов влажности и температуры, так как это оказывает большое влияние на результат. Также окончательный результат испытаний зависит от точности установки в машине и правильной геометрической формы образца. Эксцентрицитет и самый незначительный перекос могут сильно отразиться на показателе R н р.

При данной методике испытания на растяжение, показатель прочности, вычисленный по формуле Np/Fполучается весьма условным. Нередко образцы разрушаются возле заплечиков, где возникают значительные концентрации напряжения. Но даже при разрыве между заплечиками найденная плотность не менее условна, поскольку разрыв происходит чаще всего по поверхности соприкасания цементного камня с камневидными составляющими. А так как эта поверхность совершенно случайная, то разброс показателей выходит довольно большой.

Как и при сжатии, огромное значение имеет размер поперечного сечения образца: большие значения R н р имеют образцы с меньшим поперечным сечением.

Прочность бетона при растяжении довольно невелика и составляет от 1/8 до 1/17 от его прочности при сжатии.

Есть несколько способов повысить прочность бетона при растяжении. Лучшие увеличивают плотность бетона. Самый простой — правильный подбор состава бетона и применение цементов высокой прочности. Помогает также примесь разных добавок – тонко измельченных каменных материалов, трасов и пуццоланов. Лучшее средство повышения прочности при растяжении — хорошее уплотнение бетона путем вибрирования, вакуумирования, виброштампования или центрифугирования.

История изобретения бетона

Бетон дон н.э

Строить здания люди начали тысячи лет назад, и за это время изобрели немало стройматериалов. Какие-то из них дошли и до наших времен. К таким материалам относится бетон. Его история очень древняя: на берегу реки Дунай археологи нашли дом, которому около 5 тысяч лет. Полы этого здания толщиной в четверть метра можно считать бетонными, хотя и не в современном понимании. Эта заливка представляла собой смесь красной глины и мелких речных камешков.

Другие примеры того, как связываются мелкие камни и растворы, были обнаружены при раскопках в Египте и других государствах. Материал, похожий на бетон, использовали также жители Финикии и Карфагена. В Египте секрет бетона знали еще в древние времена. Гробница Тебеса возведена в 1950 г. до нашей эры с помощью этого стройматериала. Бетон применялся и при строительстве известного лабиринта. Связующими веществами в то время в Египте служили растворы гипса и извести.

Более 25 лет назад химик из Швейцарии предположил, что пирамида Хеопса были состоит из геополимерного – усовершенствонного — бетона. Изучая известняковые элементы пирамиды, профессор Давидовиц обнаружил в окаменевшей массе волос человека. Попасть туда он мог только во время замешивания раствора древним строителем.

Химик продолжил изучать этот вопрос и вскоре нашел текст, написанный на стеле периода третьей династии. В тексте описывалась последовательность приготовления бетонного раствора. Позже было обнаружено, что основания египетских пирамид сделаны из натурального известняка, а верхние блоки этих могучих сооружений состоят из бетона. Древняя смесь включала в себя золу из пальмы, крошку песчаника и соду из воды Нила.

Бетон в древнем Китае

В храмах Индии современные ученые обнаружили так называемые набивные полы из бетона, созданные в четвертом и пятом веках до нашей эры. Китайцы и вовсе начали использовать бетон одними из самых первых. Из прототипа этого материала сооружена большая часть Великой Китайской стены. Начало ее строительства приходится на третий век до нашей эры.

Читайте также  Как забить трубу в землю для забора?

Бетонные части Китайской стены строили следующим образом: рабочие замешивали бетон и формировали из него части сооружения. Для приготовления раствора нужно было взять треть теста из извести и две трети гравия и песка. В эту сухую смесь добавляли необходимое количество воды и тщательно все перемешивали. Такой бетон укладывали между дощечками – опалубкой, и дополнительно уплотняли каждый слой.

Французский ученый Шарру поведал миру о том, что бетон применяли и кельты, которые в древности населяли территорию Европы. Он излагает версию химика, долгие годы исследовавшего тумулы – кельтские монументы из камня, найденные в Галлии – и проводившего анализ почвы в этих местах. Вывод был однозначным – при строительстве этих сооружений был использован бетон.

Мастерство изготовления бетонной смеси распространилось по Восточному Средиземноморью, а 500 году до нашей эры дошло до Древней Греции. Там покрывали стены, в том числе и кирпичные, известковым бетоном мелкой фракции. Такой способ отделки использовался при строительстве дворцов царя Атталы и Креза (560-546 года до нашей эры). В более поздние времена бетон стали применять в виде бутовой кладки. Расстояние между рядами камней заполнялось другими камнями, а потом заливалось раствором извести.

Бетон в Древнем Риме

Наиболее ранее из известных упоминаний бетона в литературе – это описание этого материала знаменитого архитектора из Рима Маркуса Витрувия Поллио в трактате об архитектуре. Среди современных исследователей распространена версия, что римские стены из бетона развились именно из бутовой кладки Древней Греции.

Бетон как стройматериал мог стать таким популярным только в таком мощном и большом государстве, как Древний Рим. Потому что здесь проводились масштабные строительные работы. Это были крупные стадионы, амфитеатры, рассчитанные на тысячи зрителей, многокилометровые дороги, которые протянулись не только по территории огромного Рима, но и за пределами государства.

Древние римляне не сами придумали бетон, но именно они использовали его по максимуму. Это было связано как с растущими потребностями народа, так и с техническим прогрессом. Этот строительный материал стал одним из главных еще в античности, поскольку он обладает надежностью, не пропускает воду и при этом весьма экономичен.

В Древнем Риме бетон применяли с конца IV века до нашей эры на протяжении почти семи веков. Называли этот материал по-разному. Например, литую кладку, заполненную камнями, римляне называли «эмплектоном». Это слово они, как и сам бетон, они позаимствовали у греков. Использовался и другой термин – «рудус». Но обычно раствор, с помощью которого возводили стены, своды и делали фундамент, называли словосочетанием «опус цементум». Так и стали именовать бетон из Древнего Рима.

Уже тогда люди использовали разные виды бетона. К примеру, элементы Колизея включают 3 разновидности этого материала. Например, для сводов сооружения применили самый легкий бетон, включающий в свой состав пемзу. Колизей был открыт в 90-хх годах первого столетия. Были выстроены термы, триумфальная арка, посвященная Титу. Фундамент арки был весьма мощным и крупным – 5 метров – и был сделан из строительного материала, похожего на современный бетон.

В 123 в Риме окончилось сооружение Пантеона. Внушительный купол этого здания был рекордсменом по размеру аж до ХIХ века – его диаметр равнялся 43 метрам. Такая величина для бетонной конструкции была непревзойденной для своего времени. Многоэтажные дома Древнего Рима – инсулы – возводились также при помощи бетона. И не только многоэтажные.

После того, как Римская Империя пала, о бетоне забыли на целых десять веков! Патент на так называемый римский цемент в конце ХVIII века получил Джеймс Паркер. Тот материал, который известен сейчас, появился ближе к середине ХIХ века. Связующим веществом этого бетона был цемент. Был изобретен также портландцемент – обладателем патента стал Джозеф Аспдин. Этот виде бетона отличается тем, что прочность его со временем только увеличивается.

Возрождение бетона

Одним из главных изобретений в архитектуре является бетон с железной арматурой – железобетон. История его изобретения довольно оригинальна, и она никак не связана со строительством. Железобетонные изделия – ЖБИ – придумал садовод из Франции Джозеф Монье.

Дело было во второй половине ХIХ века. Монье хотел сделать более прочные горшки для растений из бетона, которые бы не разваливались при разрастании корней. Ему в голову пришла идея – вкладывать железные элементы в еще жидкий раствор цемента. Такие горшки выдерживали сильное растяжение. Садовод не растерялся и в 1867 году получил патент на изобретение прочнейших садовых кадок. Так появился железобетон и изделия из него.

Бетон в России и СССР

И в теории, и на практике одно из главных мест по освоению бетона на рубеже XIX и XX столетий заняла Россия. Бетон здесь применяется при строительстве портов (в 70-ее годы XIX века в Одессе), канализационных коллекторов (в Петербурге 1912 года), фортификационных сооружений (в Севастополе в 1885 году и в Крондштадте в 1900 году).

О применении бетона в России говорит и факт наличия большого количества заводов по изготовлению этого вещества. В начале ХХ века их насчитывалось уже 66. Для строительства было применено около трех с половиной миллионов кубических метров этого материала.

В СССР технологии производства и использования бетонного раствора получили дальнейшее развитие. Особенно значимыми в этой сфере стали гидротехнические сооружения – Волховстрой в 1924 году и Днепрострой в 1930 году. Советскими учеными была разработана техника бетонирования зимой. С тех пор конструкции из бетона и железобетона можно возводить на протяжении всего года, в любой климатической зоне. Также в СССР были изобретены новые виды этого материла и связующих веществ, способы укрепления бетона, технологии сборного железобетона.

Одной из самых насущных проблем в этой сфере является вопрос применения и способы усовершенствования суперсовременных бетонов. Благодаря этим материалам строительство приобретает невиданные доселе масштабы. Уникальные свойства новейших бетонов заключаются в их высочайшей прочности и устойчивости против коррозии, водонепроницаемости, способности регулировать деформативность.

Уже возведены такие сооружения, как мост через пролив Акаси в Японии, туннель под Ла-Маншем и другие. Бетоны высокого качества гарантируют надежность зданий даже в сложных климатических условиях и при активной эксплуатации. Кроме того, применение этих материалов значительно ускоряет темпы строительства и значительно уменьшают риски для инвесторов.

Современные города невозможно представить без бетона. Он останется востребованным еще долгое время.

История появления бетона.

Как появился бетон.

Откуда навык этот — неведомо.

Трудно точно сказать, где и когда появился бетон, так как начало его зарождения уходит далеко в глубь веков. Очевидно лишь то, что он не возник таким, каким мы его знаем сегодня, а, как большинство строительных материалов, прошел длинный путь развития.

Наиболее ранний бетон, обнаруженный археологами, можно отнести к 5600 г. до н. э. Он был найден на берегу Дуная в поселке Лапенски Вир (Югославия) в одной из хижин древнего поселения каменного века, где из него был сделан пол толщиной 25 см. Бетон для этого пола приготавливался на гравии и красноватой местной извести, доставлявшейся вверх по течению реки более чем за 400 км от места добычи.

История бетона неразрывно связана с историей цемента. Древнейшими вяжущими веществами, используемыми человеком, являлись глина и жирная земля, которые после смешивания с водой и высыхания приобретали некоторую прочность.

Использование глины в строительстве восходит приблизительно к 10 тысячелетию дс н. э. На основе глины и жирной земли приготавливались смеси типа растворов и бетонов, которые в те Далекие времена широко применялись при строительстве самых различных построек и сооружений; начиная от простейших глинобитных (землебитных) домов до громадных храмов — зиккуратов (рис. 4).

Римский писатель и ученый Плиний Старший (23—79 гг. н. э.) в «Естественной истории» с восхищением пищет о видендых им в Африке и Испании «формованных» стенах таких построек. . Веками стоят они, не разрушаемые ни дождем, ни огнем, более прочные, чем сделанные из бутового камня. В Испании,— пишет он,— до сего дня стоят сторожевые вышки и башни Ганнибала из глины, построенные на вершинах гор.

Читайте также  Упрочнители бетона укрепляющие пропитки для бетона

Рис. 4. Зиккурат.

Плиний недаром называл такие стены «формованными» так как они, действительно, изготавливались путем трамбования (формования) влажного грунта или глины с камнем, уложенных между деревянными щитами опалубки, и в этом смысле являлись прообразом современных монолитных бетонных стен.

По мере развития и усложнения строительства возрастали требования, предъявляемые к вяжущим веществам. Считается, что более чем за 3 тыс. лет до н. э. в Египте, Индии и Китае начали изготавливать искусственные вяжущие, такие, как гипс, а позднее — известь, которые получали посредством умеренной термической обработки исходного сырья.

Вместе с производством вяжущих расширялось применение растворов и бетонов. Вероятно, первыми шагами в освоении бетона было помимо полов сооружение траншей для фундаментов зданий, которые заполнялись галькой или обломками битого камня, затем заливались раствором глины, битума или извести с песком и превращались со временем в плотную и относительно прочную массу.

Отдельные примеры связывания мелких камней растворами или использование раствора с крупным заполнителем были известны в глубокой древности у египтян, вавилонян, финикийцев и карфагенян. Наиболее раннее применение бетона в Египте, обнаруженное в гробнице Тебесе (Теве), датируется 1950 г. до н. э. По сведениям Плиния Старшего, бетон был применен при строительстве галерей египетского лабиринта и монолитного свода пирамиды Нима задолго до нашей эры.

Одним из первых начали применять бетон народы, населяющие Индию и Китай. Великая китайская страна, строительство которой было начато в 214 г. до н. э., сооружена в основном из бетона. Приготовление бетона и формование из него стен состояло в следующем. Вначале одна часть известкового теста тщательно перемешивалась с двумя частями песка и гравия или песка, строительного мусора и земли. Полученная сухая (очень жесткая) бетонная сместь с небольшим содержанием воды укладывалась слоями толщиной около 12 см между деревянными щитами опалубки и усиленно уплотнялась деревянными трамбовками. После такого уплотнения поверхность каждого слоя слегка увлажнялась водой и на него укладывался следующий бетонный слой. Процесс повторялся до полного возведения стены. Такой метод строительства довольно широко применялся в Китае еще в 20-х годах нашего века при строительстве домов, школ, бань и пагод.

Народы, жившие на островах Эгейского моря и в Малой Азии, начиная с VII—VI вв. до н. э. применяли растворы на жирной извести с гидравлическими добавками при строительстве отдельных зданий и гидротехнических сооружений. В Индии уже в наше время в храмах и дворцах знати были обнаружены хорошо сохранившиеся бетонные «набивные» полы (IV—V вв. до н. э.).

Искусство производства бетона постепенно распространялось в Восточном Средиземноморье и примерно к 500 г. до н. э. достигло Древней Греции, где для покрытия стен, в том числе из необожженного кирпича, использовался мелкозернистый известковый бетон. Таким образом были отделаны дворцы царей Креза (560—546 гг. до н. э.) и Атталы. Впоследствии бетон стал применяться в виде бутовой кладки. Пространство между двумя рядами каменной стены заполнялось крупными камнями, а затем заливалось известковым раствором. Витрувий в своем трактате довольно подробно описал несколько видов такой кладки.

Можно предположить, что римские бетонные стены и другие подобные конструкции развились как раз из греческой бутовой кладки путем постепенного расширения бутобетонного ядра за счет уменьшения толщины каменных стен, которые из главного элемента кладки постепенно превратились в тонкую оболочку, играющую уже подсобную, второстепенную роль.

Заметное применение бетона на территории древнеримского государства началось примерно с конца IV в. до н. э. и продолжалось около-700 лет. За это время в его развитии, как в живом организме, можно проследить четыре важных этапа: рождение, быстрый рост, зрелость и гибель этого материала.

Так, зарождение бетона, т. е. медленное и постепенное внедрение его в римскую строительную практику, длилось более двух столетий (до I в. до н. э.). Второй этап, продолжавшийся до II в. н. э., сопровождался ускоренным ростом и широким распространением объемов бетонного строительства по всей Римской империи и прилегающим к ней странам. На третьем этапе (в период так называемой зрелости) бетон развивался не так стремительно, но с заметным улучшением свойств, технологии изготовления и принятия новых конструктивных решений. Это был этап качественного роста и развития больших потенциальных возможностей, который продолжался с начала II в. и примерно до середины III в. н. э. Наконец, заключительный, четвертый этап, продолжался менее ста лет и закончился в начале IV века н. э.

Указанное деление эволюционного развития римского бетона на отдельные этапы довольно условно, но позволяет схематично показать весь путь, который прошел этот материал за семь веков своего существования.

Источник книга «Римский бетон». Автор В.А.Кочетов

Когда изобрели бетон?

Искусственные алмазы, искусственные рубины и изумруды. Их за время существования человечества было сделано и продано очень много. Миллионы штук и миллиарды карат. Но в истории изобретений человеческой цивилизации намного большее влияние имеет искусственный камень — бетон.

Люди научились делать его очень давно. Некоторые египтологи предполагают, что большая часть огромных пирамид — не что иное, как искусственный камень, древнейший бетон в истории человечества. Пирамиды Древнего Египта, огромные величественные сооружения Древнего Рима и колоссальные небоскребы из стекла и бетона создавались из одного материала. Сколько его произвели за все времена? Миллиарды тонн? Триллионы тонн?

Скажу сразу, что, хотя современные небоскребы и зовут «колоссами из стекла и бетона», их силовой каркас создают из стали. А уж потом заливают полы и стены бетоном и украшают все это стеклом. Все равно бетон, в том или ином виде, абсолютно необходимая часть современного строительства. И это верно уже много десятилетий, чтобы не сказать — веков.

Рецепт первого бетона был открыт 5−6 тысяч лет назад, когда люди обнаружили, что если сильно обжечь некоторые горные породы, смолоть их в пыль, а потом перемешать с гравием и добавить нужное количество воды, то получается вязкая масса, которая высыхает на воздухе за несколько дней, после чего получается искусственный камень. Если его залить в форму, пока он не застыл, сразу же после добавления воды и хорошего перемешивания, то получается камень нужной формы или хороший кусок стены.

Легендарный Лабиринт Древнего Египта имел бетонные стены, отлитые за 3600 лет до н.э. Из бетона сделаны древнейшие сооружения Мексики, некоторые части Великой Китайской стены, древнеримский Пантеон… Пантеон в Риме, Италия
Фото: Depositphotos

В Древнем Риме использовался т.н. цемент-пуццолана. Залежи вяжущего вещества в Древнем Риме добывали на холмах рядом с Везувием, возле местечка Путеола. У нас слово перевели как пуццолана, хотя сами итальянцы называют его поццолана.

Лирическое отступление в тему.
Полагаете, разница между puzzo и pozzo — всего одна буква? Итальянский язык очень многолик. Слова pazzo, pezzo, puzzo и pozzo (паццо-пеццо-пуццо и поццо) отличаются всего одной буквой, но имеют совершенно различный смысл, ибо переводятся (последовательно) как — сумасшедший, кусочек, вонь и колодец. Велик и могуч итальянский язык!

Но вернемся к бетонам.

Из этого бетона-пуццолана были построены многие акведуки в Римской империи, в городах многоэтажные дома для плебса делали из бетона. Не надо вырубать в каменоломне камень и везти его за десятки или сотни километров к месту стройки. Привезти цемента-поццоланы и мелких камней, залить водой из реки, размешать как следует — и залить в форму. Через несколько дней очередная часть стены уже готова. За несколько веков на территории Империи было построено множество объектов с применением бетона-пуццоланы.

Когда Империя погибла, многие открытия оказались забыты на века. О бетоне вспомнили в XVII веке. В Англии тогда активно расширяли разнообразные портовые сооружения. И водостойкий цемент оказался очень полезен. В Англии обжигали известняк с примесями глины и получали водоустойчивую вяжущую составляющую. Такой бетон твердел, даже будучи погруженным в воду. Известковый каменный карьер на острове Портленд, Англия
Фото: Wilson44691, ru.wikipedia.org

Век XIX был началом эпохи цемента. По всему миру строились заводы, во многих городах строились дома. Изобретались разнообразные виды цементов, был придуман железобетон — и началось…

Строительство стало намного технологичнее. Не надо выламывать в каменоломнях камни, которые потом надо обтесать, придав правильную форму, привезти их, возможно, за многие десятки километров от каменоломни на место строительства. Вместо этого можно использовать искусственный камень, затвердевающий прямо на своем месте в стене.

Или просто стена этажа, залитая за один раз, затвердевшая за сутки-двое, позволяющая через несколько дней разместить на только что созданном этаже оборудование, которое позволит залить следующий этаж. И так — этаж за этажом, неделя за неделей, растут железобетонные здания. Знай только, подвози машинами цемент, гравий, а воду можно взять в водопроводе. М. С. Сарьян, «Рабочий поселок и цементный завод в Давалу»
Фото: artchive.ru

Читайте также  Опалубка из ОСБ своими руками

С начала 60-х годов СССР занимал по производству цемента первое место в мире. Сейчас Россия находится на 5 месте. А на первом месте по производству цемента находится Китай.

В наше время созданы десятки различных видов цементов.

Есть цементы, которые очень быстро схватываются и твердеют.

Есть цементы, которые водонепронецаемы и даже обладают свойствами водооталкивания.

Если цементы, устойчивые к сильно минерализованным водам.

Алсфальтоцемент покрывает улицы, дома на которых сделаны из бетона.

Пломба на зубе — цемент!

При повреждении подводной части корабля в море аварийная команда ставит на пробоину цементный пластырь, который останавливает течь, и бетонная заплатка позволяет кораблю пройти по морю большое расстояние, дойти до порта, где пробоину необходимо будет заварить.

Даже у писателей-фантастов, в далеком будущем, роботы-ремонтники ремонтируют поврежденные паропроводы или пробитую метеоритами обшивку корабля ничем иным, как «пластоцементом».

Серый порошок, вездесущий и все пачкающий при ремонте или при строительстве — незаметный, не знаменитый и незаменимый.

Может быть, нашу эпоху стоит назвать эпохой цемента. Как бы мы обходились, если бы его не было?

Когда был изобретен бетон?

От египетских пирамид до умных блоков с температурными датчиками — бетон и сопутствующие технологии прошли долгий путь с момента появления. Звукоизолирующие высокопрочные здания стали частью нашей жизни. А история бетона полна проб, ошибок и гениальных решений.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №4(32). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Археология бетона

На берегу Дуная близ посёлка Лапински на территории бывшей Югославии примерно в 5600 году до н. э. древний человек сделал в хижине пол, смешав гравий и красноватую местную известь. Получилась ровная и прочная поверхность толщиной 25 см. Она не пропускала влагу и неплохо сохраняла тепло. В качестве вяжущих веществ также использовались глина и жирная почва. Они применялись как при изготовлении простых глинобитных домов, так и при возведении величественных зиккуратов — культовых сооружений в Древней Месопотамии.

Человек использует бетон с давних времён. Его применяли уже при строительстве древнейшей египетской пирамиды Джосера (около 2667 года до н. э.) и Великой китайской стены (III век до н. э.). Но по-настоящему массовое применение бетон получил в Древнем Риме. Во-первых, на Апениннском полуострове были все компоненты для его изготовления (главный из них — вулканический пепел). Во-вторых, римлянам удалось существенно улучшить качества бетона: он приобрёл невиданную прочность. Так, например, Пантеон до сих пор считается крупнейшей неармированной бетонной постройкой в мире. Древнеримские волнорезы и сейчас защищают морской берег от волн.

Кирпично-бетонная ротонда Пантеона перекрыта полусферическим куполом (диаметр свыше 43 м). В центре купола находится круглое отверстие диаметром 9 метров, через которое в храм проникает дневной свет.

Геологи и материаловеды долго разгадывали тайну римского бетона. Оказалось, секрет его прочности в химии: кристаллы минерала алюминия-тоберморита, образующегося в результате воздействия щелочных растворов морской воды на вулканический пепел в составе бетонной смеси, обладают удивительной гибкостью. Под нагрузкой они не разрушаются, а деформируются, что и объясняет их удивительные свойства. Конечно, в Древнем Риме никто не догадывался о существовании чудо-минерала. Скорее всего, его получили совершенно случайно, и строители сами до конца не понимали, что происходит со смесью. К сожалению, как и многие другие античные технологии, секрет производства бетона был утрачен в Средние века.

Акведук Айфель

В 80 году римляне закончили строительство уникального бетонного сооружения – акведука, нёсшего воду в древний город Colonia Claudia Ara Agrippinensium (современный Кёльн) с горной вершины Айфель. Состав бетона, из которого была сделана 130-километровая U-образная труба, незамысловат: негашёная известь, песок, гравий и вода. Эксперты из немецкого института стандартизации Deutsches Institute fur Normung провели исследование и выяснили, что 2000-летний бетон полностью соответствует требованиям XXI века!

После набегов германских племён в 260 году акведук никогда больше не использовался по прямому назначению, а со временем люди и вовсе забыли, зачем он был построен. Однако каменные известковые отложения внутри бетонной трубы стали на удивление популярны: этот материал, цветом напоминавший коричневый мрамор, отлично поддавался обработке и применялся для изготовления колонн, оконных рам и даже алтарей. В историю архитектуры он вошёл как «Айфельский мрамор».

Старая барабанная печь для обжига цементного клинкера

Бетон как строительный материал восстал из пепла в 1824 году, когда Джозеф Аспдин изобрёл портландцемент (от лат. caementum — щебень, битый камень, и названия английского острова Портленд, где добывали природный камень, похожий на отвердевший портландцемент). Согласно рецептуре Аспдина, клинкер и гипс измельчаются (СaSO 4•2H2O) до порошкообразного состояния. Клинкер — это смесь веществ, полученная спеканием известняка (преимущественно CaCO3) и глины (смесь Al2O3, воды и SiO2) при температуре выше 1400 °С.

Как производят цемент?

1. Известняк, сланец, кремнезём и оксиды железа проходят через дробилку, измельчающую камни на мелкие куски.

2. Вращающаяся печь непрерывно смешивает ингредиенты и подвергает их обжигу при 1400 °С.

3. Клинкер измельчается в порошок и смешивается с гипсом.

4. Цемент упаковывается.

Сегодня масштабы производства бетона настолько велики, что ежегодно этот процесс формирует 7% выбросов СО 2 в мире. Полученные после обжига гранулы клинкера на 97% состоят из оксидов кальция, кремния, алюминия и железа; оставшаяся часть приходится на оксиды марганца, титана, хрома и других элементов. Эту смесь вяжущих веществ тщательно измельчают и смешивают со вторым важным компонентом портландцемента — гипсом, отвечающим за скорость схватывания раствора, то есть за превращение его в твёрдый искусственный камень.

Изображение со сканирующего электронного микроскопа: пластины гидроксида кальция и иглы эттрингита

А что же происходит, когда в цемент добавляют воду? Безводные минералы в составе цемента активно взаимодействуют с водой. Один из основных процессов можно представить в виде уравнения:

3CaO Al₂O₃ + 6H₂O = 3CaO Al₂O₃ 6H₂O + 867Дж/г.

Иглообразные кристаллы CaO•Al 2O3•6H2O пронизывают всю толщу цементного раствора, придавая ему прочность и твёрдость. Уравнение реакции подсказывает, что кристаллизация цементного раствора сопровождается выделением тепла, — его надо вовремя отводить, чтобы бетон получился качественным. Обычно его просто поливают водой, и это позволяет избежать главного врага искусственного камня — появления трещин.

Армирование — способ увеличения стойкости конструкции; служит для упрочнения бетона, который в силу своих свойств быстро разрушается при растяжении

Бетон выдерживает колоссальные нагрузки на сжатие, что делает его отличным материалом для фундаментов, но вот на растяжения (в том числе при изменении температуры) реагирует очень плохо. Это было главным препятствием для его использования в качестве строительного и конструкционного материала, пока в 1846 году за дело не взялся французский садовник Жозеф Монье. Он изготавливал бетонные кадки для пересадки на зиму апельсиновых деревьев в оранжереи Лувра и не понаслышке знал, как часто растрескивается и ломается бетон. Монье вставил стальные стержни в стенки кадок, и это здорово продлило срок службы материала. Сталь оказалась идеальным напарником бетона: она отлично выдерживает растяжения, но при сжатии заметно деформируется. Получившийся железобетон вписал в историю имя неизвестного доселе садовника и подарил человечеству возможность высотного строительства.

История бетона такая же, как и сам материал, — консервативная, долгая и неизменная. Тем удивительнее была новость о самовосстанавливающемся материале, способном «заживлять» трещины в литой бетонной конструкции. Речь идёт о «живом» бетоне! Технологи вводят в раствор микрогранулы с бактериями и питательными веществами. А дальше эти «закладки» долгие годы ждут своего часа — он наступит, когда появится трещина и в неё попадёт влага. Получив доступ к кислороду и воде, бактерии активизируются и заполняют пустоты главным продуктом своей жизнедеятельности — кальцитом CaCO3, который возвращает прочность бетону, причём именно в тех местах, где это больше всего необходимо.