Бетон

Расстояние от Чукотки до Аляски через Берингов пролив 86 километров. Есть проекты железобетонного моста или тоннеля, который мог бы соединить два континента. Периодически он серьезно обсуждается (в том числе и на высшем уровне).
Даньян-Куньшаньский виадук, являющийся сегодня самым длинным железобетонным мостом в мире, возведён как часть Пекин - Шанхайской высокоскоростной железной дороги.
Его длина 164 800 метров, из них примерно 9 км проложено над водной поверхностью.

Даньян-Куньшаньский виадук.Самые высокие здания.

«Бурдж-Хали́фа» — «Башня Халифа», - небоскрёб высотой 828 м в Дубае.
Это самое высокое сооружение в мире из железобетона и стекла (количество этажей 163).
Для строительства была разработана особая марка бетона, который выдерживает температуру до +50 °C. Бетонную смесь укладывали только ночью, а в раствор добавляли лёд. В фундаменте здания около 200 висячих свай длиной 45 м и диаметром 1,5 м.

Когда же появился бетон? Насколько он долговечен и прочен? Какой бетон делают сейчас.

Материалы похожие на бетонные смеси стали применять еще в каменном веке. Но впервые, по настоящему, высвободили мощь бетона из камня и пепла – Римляне.

Римляне заметили, что когда пепел намокает, он твердеет и становится прочным как камень. Это наблюдение дало возможность создать новый прочный материал.

"Пуцолан (пуцолановая земля), итал. вулканическая гарь, добываемая у Везувия, для водостойкой смазки. Толковый словарь Даля, 1863-1866."
Извержение вулкана.Извержение вулкана.

Во времена императора Октавиана Августа, примерно в 10-15 гг. до н.э., римский архитектор, инженер, теоретик архитектуры Марк Витрувий Поллион написал работу, которая известна под названием “ Десять книг об архитектуре ”. Благодаря этому труду, мы имеем представление об архитектуре и строительных технологиях древнего Рима.

Для создания бетонных смесей Римляне смешивали вулканический пепел Пуцолан с гашеной известью.

Какие процессы порождают вулканический пепел и как человек делает известь?
Температуры большинства магм в земной коре лежат в пределах 600-1300°С. Самые низкие температуры зафиксированы для натрокарбонатитовой магмы (~450°С), самые высокие – для коматиитовых и меймечитовых магм (1600-1650°С).

Иногда магма вырывается на поверхность земли, через трещины в земной коре. Извержение вулкана
Извержение вулкана — процесс выброса вулканом на земную поверхность раскалённых обломков, пепла, излияние магмы, которая, излившись на поверхность, становится лавой.

Для получения извести, которую добавляли в смесь, Римляне нагревали известняк. При нагревании из известняка удаляется (улетучивается) углекислый газ. При этом известняк превращается в крайне реактивную, жженую (негашеную) известь.
Процесс гашения извести заключается в обработке извести водой для перевода оксидов кальция и магния в их гидраты. Этот процесс опасен, поскольку выделяется очень большое количество тепла, которое может привести к возгоранию дерева.
После сухого смешивания Пуцолана и гашеной извести (чаще известкового теста) в смесь добавляют воду, получая цементный раствор.
Раствор должен быть густым. Вода запускает сложную цепь химических реакций. Образуются новые химические соединения. Часть из них желеобразная суспензия, которая при застывании образует микроскопические волокна, эти тонкие волокна разрастаются и переплетаются в сеть, которая и составляет основу крепости бетона. Эта реакция длится годами, и бетон становится все прочнее и прочнее.

Бетон позволил Римлянам построить их великие сооружения.
Марк Ульпий Нерва Траян, больше известный как Траян. Он был первым императором, рождённым вне Рима. Траян происходил из испанского аристократического рода.
В 102 г. для контроля над Дакией (для военной кампании 105-106 годов) по приказу Траяна был построен большой каменный мост с бетонными опорами через Дунай (длина свыше 1 км). Строил мост Аполлодор из Дамаска (Римская Сирия) — инженер, архитектор, конструктор и скульптор.

Фрагменты большого каменного римского моста.Мост Траяна.

Исследования опор моста, выполненные уже в наше время, показали, что использованный в бетоне цемент с современных позиций можно отнести к романцементу, полученному посредством тонкого помола известковых и магнезиальных мергелей (осадочная камнеподобная горная порода смешанного глинисто-карбонатного состава), обожженных при температуре 850–900 град. С.
Романцемент может содержать гипс и различные добавки. Этот старинный вяжущий материал относится к классу гидравлических.
В зерновом составе бетона обнаружено, что 1/3 его занимал песок и 2/3 крупный заполнитель. При этом общее весовое соотношение материалов в бетоне было следующим: 1 : 2,1 : 2,6 (цемент : песок : битый кирпич). Количество цемента на 1 м3 бетона составляло примерно 300 кг. Прочность бетона на сжатие в возрасте более 1830 лет (испытания проведены в 1935 г.) составила 30,5 МПа.

Пантеон в Риме, храм, посвященный всем богам. Сооружен приблизительно в 125 году н. э.

Пантеон в Риме.Ротонда перекрытая кессонированным куполом.

Храм представляет собой ротонду, перекрытую огромным полусферическим кессонированным куполом (диаметром свыше 43 м), имеющим в центре отверстие (диаметром около 9 м), через которое освещается интерьер. Купол выполнен из бетона прослоенного кирпичами. Это самый большой на планете купол из неармированного бетона. Цельность архитектурного образа, совершенство пропорций и мастерство конструктивного решения храма позволяют предполагать, что строителем его мог быть Аполлодор Дамасский.

Захват большого количества владений на морских побережьях и развивающаяся торговля требовали расширения сети гидротехнических сооружений. В конце республиканского периода в первые два века Империи (I—II в. н. э.) начинается строительство новых портов и гаваней.
Римлянам повезло с исходными материалами. При смешивании Пуцолана (вулканического пепла), гашеной извести и воды образуется нерастворимое вещество. Как только в ходе химических реакций начинает формироваться очень прочная структура бетона, он уже не растворяется в воде. Это позволило Римлянам строить и господствовать на Средиземном море. Бетон стал основой всей Римской империи.

Гавани во многом походили друг на друга. Обычно гавани представляли собой водный бассейн, защищенный со стороны моря естественными или чаще искусственными ограждениями — молами и волноломами. Римляне открыли поистине выдающиеся свойства цемента, он схватывался даже под водой.
Пять этапов «рождения и созревания» римского бетона.

Обжигаем куски добытого в карьере известняка при температуре порядка 900° С. Из известняка выделяется безводный продукт оксида кальция, т. е. белые куски негашеной извести.

Негашеная известь способна разъедать руки, одежду.
Заливаем известь водой.  Вода химически соединяется ней. Из негашеной известь превращается в гашеную, а полученный порошок — в так называемую «пушонку».
Смешиваем еще раз «пушонку» с водой. Залитая водой гашеная известь превратится в тесто с техническим названием гидроксида кальция. Чем больше добавлять в него
воды, тем более жидким становиться известковое тесто. Если это тесто плотно закрыть сверху грунтом, то оно не затвердеет десятки лет и при этом еще станет очень пластичным (как сливочное масло). Если же тесто оставить на воздухе, то оно скоро покроется твердой корочкой и постепенно окаменеет.
Чтобы  хорошо склеить кирпичи или камни, известковым тестом (при этом оно не должно растрескаться), необходимо тесто смешать с песком. Такая смесь будет называться известковым раствором. Затем происходит испарение свободной воды из известкового теста. Процесс перехода растворной смеси в
твердый камень. Переход известкового раствора или бетона в камень-известняк или карбонат кальция известен как карбонатное твердение известковых вяжущих веществ. 
Постепенное образование  кристаллического каркаса из гидроксида кальция.

При обычной температуре процесс кристаллизации гидроксида кальция протекает весьма

медленно. Ждать Римляне не могли. Не устраивало их и то, что бетон твердел только на воздухе, а не в условиях влажной среды. К тому же они хорошо знали, что если к известковому тесту добавить кроме обычного песка кирпичный песок и кирпичные камни, то такое соединение будет твердеть в воде, а полученный при этом искусственный камень окажется гораздо прочнее, чем бетон или раствор на одной воздушной извести с обыкновенным песком и галькой.
Добавку из толченого кирпича или черепицы стали называть цемянкой. Цемянка придавала зданиям розовый оттенок и дополнительно декорировала фасад.
Добавляли римляне в бетон и природные материалы. Витрувий описывает эти добавки следующим образом: «...существует определенный порошок естественного происхождения, используя который можно добиться великолепного результата. Его находят в Байях и в землях вокруг Везувия. Это вещество при смешивании с известью и камнем не только придает прочность сооружению, но даже при устройстве дамб в открытом море прочно схватывается под водой».
Т.е. речь идет о вулканическом пепле пуццоланы (итал. pozzolana, от названия г. Поццуоли, Pozzuoli, в Италии, вблизи которого добывались * aнгл. pozzolanum; нем. Puzzolan; франц. pouzzolane; итал. puzolana) - общее название вулканогенно-осадочных и осадочных горных пород.
В зависимости от назначения раствора или бетона римляне
 применяли различные соотношения между известью и пуццоланой.
 Однако наиболее распространенным был состав 1:2 — на 1 часть извести, 2 части пуццоланы. Прочность такого бетона, вероятно,
составляла 5—10 и более МПа.
Витрувий уделяет значению подбора добавок очень большое значение «...Есть следующие сорта горного песка: черный, серый, красный и карбункул (песок вулканического происхождения). Из них наилучшим будет тот, который скрипит при растирании в руке». В большинстве случаев он советовал применять чистые «без примеси земли» пески.

Для кладки стен и сводов Витрувий рекомендовал только мытый песок, а для штукатурных работ — очищенный речной.
Морской песок, считал Витрувий, в большинстве случаев нежелателен, так как содержит примеси солей. При этом, как пишет Витрувий, наличие в песке соли, обладающей гигроскопическими свойствами, затрудняет высыхание раствора, задерживая тем самым сроки строительства. Такое утверждение не противоречит современным техническим условиям на мелкий заполнитель. Есть сведения, что заполнители для бетона (особенно пуццолановые) обязательно промывались.
Интересны указания римлян по заготовке бутовых камней и щебня для бетона. «Надо добывать камень не зимою, а летом,—
пишет Витрувий,— и оставлять его вылеживаться
на открытом воздухе два года до начала стройки. Тот камень, который за это двухлетие будет поврежден непогодой, пойдет на фундамент, остальной же, оказавшийся испорченным, пойдет
 для надземной части здания как испытанный природою и могущий сохранить свою прочность...»
Методы определения чистоты заполнителей были весьма простыми, а требования к ним более жесткими. «...Если насыпать песок на белое полотенце и затем потрясти или подбросить его

и он не оставит пятен и землистого осадка, то будет годен...» (Витрувий).
Римскими строители знали, что каждый конкретный заполнитель оказывает вполне определенное влияние
 на свойства бетона. При строительстве Колизея в бетоне был применен заполнитель трех видов:
для фундаментов — плотный и тяжелый щебень из высокопрочной лавы,
для стен — более легкий известняк,
а в сводах и перекрытиях — легкая пемза и туф.
Хорошее современное состояние отдельных бетонных сооружений Древнего Рима (а многим из них более 2000 лет) свидетельствует о превосходном качестве применяемого исходного материала, рационально подобранном составе бетона и надлежащем качестве строительных работ.
Сегодня.
Основные требования к бетону в нашей стране были разработаны и введены в действие ещё 25 лет назад в 1986 году, когда был утвержден ГОСТ 27006-86 «Бетоны. Правила подбора состава». Поскольку несоблюдение стандарта преследуется по закону, все бетонные заводы придерживаются рекомендаций по приготовлению бетона, указанных в стандарте.

На данный момент нет содержимого, классифицированного этим термином.

Подписка на RSS - Бетон