Бетон

Бето́н

(франц. béton)

искусственный каменный материал, получаемый из рационально подобранной смеси вяжущего вещества (с водой, реже без неё), заполнителей и специальных добавок (в некоторых случаях) после её формования и твердения; один из основных строительных материалов. До формования указанная смесь называется бетонной смесью (см. Бетонные работы (См. Жаростойкий бетон)).

Историческая справка. При возведении массивных сооружений и таких конструкций, как своды, купола, триумфальные арки, ещё древние римляне использовали Б. и в качестве вяжущих материалов (См. Вяжущие материалы) применяли глину, гипс, известь, асфальт. С падением Римской империи применение Б. прекратилось и возобновилось лишь в 18 в. в западноевропейских странах.

Развитие и совершенствование технологии Б. связано с производством Цемента, который появился в России в начале 18 в. По архивным свидетельствам на строительстве Ладожского канала в 1728—29 был использован цемент, изготовленный на цементном заводе, существовавшем в Конорском уезде Петербургской губернии В 1824 Дж. Аспдин получил в Англии патент на способ изготовления гидравлического цемента. Первый цементный завод во Франции был открыт в 1840, в Германии — в 1855, в США — в 1871. Распространению Б. способствовало изобретение в 19 в. Железобетона.

Широкое применение Б. в СССР было подготовлено трудами русских учёных Н. А. Белелюбского (См. Белелюбский), А. Р. Шуляченко и И. Г. Малюги (См. Малюга), разработавших совместно в 1881 первые нормы на Портландцемент. В 1890 И. Самович опубликовал результаты испытаний прочности растворов с различным содержанием цемента и предложил составы бетонной смеси для получения Б. наибольшей плотности. Профессор И. Г. Малюга в 1895 установил качественную зависимость между прочностью Б. и процентным содержанием воды в массе цемента и заполнителей. В работе американского учёного Д. Абрамса, опубликованной в США в 1918, были даны подробные графические зависимости прочности Б. от водо-цементного отношения и подвижности бетонной смеси, от состава Б., крупности заполнителей и водо-цементного отношения. Научные основы проектирования состава Б. с учётом его прочности и подвижности бетонной смеси были развиты советским учёным Н. М. Беляевым. Представления о зависимости прочности Б. от водо-цементного отношения радикально не изменялись в течение длительного времени. Швейцарский учёный Боломе упростил практическое применение этой сложной (гиперболической) зависимости путём перехода к линейной зависимости прочности Б. от обратной величины — цементно-водного отношения. В течение ряда лет эта зависимость применялась на практике. В 1965 советским учёным профессором Б. Г. Скрамтаевым совместно с др. исследователями было установлено, что линейная зависимость справедлива лишь в определённом диапазоне изменения цементно-водного отношения.

Классификация и области применения бетона. Б. классифицируют по виду применяемого вяжущего: Б. на неорганических вяжущих (цементные Б., Гипсобетоны, силикатные бетоны (См. Силикатный бетон), кислотоупорные Б., жаростойкие бетоны (См. Жаростойкий бетон) и др. специальные Б.) и Б. на органических вяжущих (Асфальтобетоны, Пластбетоны).

Цементные Б. в зависимости от объёмной массы (в кг/м3) подразделяются на особо тяжёлые (более 2500), тяжёлые (от 1800 до 2500), лёгкие (от 500 до 1800) и особо лёгкие (менее 500).

Особо тяжёлые бетоны предназначены для специальных защитных сооружений (от радиоактивных воздействий); они изготовляются преимущественно на портландцементах и природных или искусственных заполнителях (магнетит, лимонит, барит, чугунный скрап, обрезки арматуры). Для улучшения защитных свойств от нейтронных излучений в особо тяжёлые Б. обычно вводят добавку карбида бора или др. добавки, содержащие лёгкие элементы — водород, литий, кадмий.

Наиболее распространены тяжёлые бетоны, применяемые в железобетонных и бетонных конструкциях промышленных и гражданских зданий, в гидротехнических сооружениях (см. Гидротехнический бетон), на строительстве каналов, транспортных и др. сооружений. Особое значение в гидротехническом строительстве приобретает стойкость Б., подвергающихся воздействию морских и пресных вод и атмосферы. К заполнителям для тяжёлых Б. предъявляются специальные требования по гранулометрическому составу и чистоте. Суровые климатические условия ряда районов Советского Союза привели к необходимости разработки и внедрения методов зимнего бетонирования. В районах с умеренным климатом большое значение имеют процессы ускорения твердения Б., что достигается применением быстро-твердеющих цементов (См. Быстротвердеющий цемент), тепловой обработкой (электропрогрев, пропаривание, автоклавная обработка), введением химических добавок и др. способами. К тяжёлым Б. относится также силикатный Б., в котором вяжущим является кальциевая известь. Промежуточное положение между тяжёлыми и лёгкими Б. занимает крупнопористый (беспесчаный) бетон (См. Крупнопористый бетон), изготовляемый на плотном крупном заполнителе с поризованным при помощи газо- или пенообразователей цементным камнем.

Лёгкие бетоны изготовляют на гидравлическом вяжущем и пористых искусственных или природных заполнителях. Существует много разновидностей лёгкого Б.; они названы в зависимости от вида примененного заполнителя — Вермикулитобетон, Керамзитобетон, Пемзобетон, Перлитобетон, Туфобетон и др.

По структуре и степени заполнения межзернового пространства цементным камнем лёгкие Б. подразделяются на обычные лёгкие Б. (с полным заполнением межзернового пространства), малопесчаные лёгкие Б. (с частичным заполнением межзернового пространства), крупнопористые лёгкие Б., изготовляемые без мелкого заполнителя, и лёгкие Б. с цементным камнем, поризованные при помощи газо- или пенообразователей. По виду вяжущего лёгкие Б. на пористых заполнителях разделяются на цементные, цементно-известковые, известково-шлаковые и силикатные. Рациональная область применения лёгких Б. — наружные стены и покрытия зданий, где требуются низкая теплопроводность и малый вес. Высокопрочный лёгкий Б. используется в несущих конструкциях промышленных и гражданских зданий (в целях уменьшения их собственного веса). К лёгким Б. относятся также конструктивно-теплоизоляционные и конструктивные ячеистые бетоны (См. Ячеистый бетон) с объёмной массой от 500 до 1200 кг/м3. По способу образования пористой структуры ячеистые Б. разделяются на Газобетоны и Пенобетоны, по виду вяжущего — на газо- и пенобетоны, получаемые с применением портландцемента или смешанных вяжущих; на газо- и пеносиликаты, изготовляемые на основе извести; газо- и пеношлакобетоны с применением молотых доменных шлаков. При использовании золы вместо кварцевого песка ячеистые Б. называются газо- и пенозолобетонами, газо- и пенозолосиликатами, газо- и пеношлакозолобетонами.

Особо лёгкие бетоны применяют главным образом как Теплоизоляционные материалы.

Области применения Б. в современном строительстве постоянно расширяются. В перспективе намечается использование высокопрочных Б. (тяжёлых и лёгких), а также Б. с заданными физико-техническими свойствами: малой усадкой и ползучестью, морозостойкостью, долговечностью, трещиностойкостью, теплопроводностью, жаростойкостью и защитными свойствами от радиоактивных воздействий. Для достижения этого потребуется проведение широкого круга исследований, предусматривающих разработку важнейших теоретических вопросов технологии тяжёлых, лёгких и ячеистых Б.: макро- и микроструктурной теорий прочности Б. с учётом внутренних напряжений и микротрещинообразования, теорий кратковременных и длительных деформаций Б. и др.

Физико-технические свойства Б. Основные свойства Б. — плотность, содержание связанной воды (для особо тяжёлых Б.), прочность при сжатии и растяжении, морозостойкость, теплопроводность и техническая вязкость (жёсткость смеси). Прочность Б. характеризуется их маркой (временным сопротивлением на сжатие, осевое растяжение или растяжение при изгибе). Марка по прочности на сжатие тяжёлых цементных, особо тяжёлых, лёгких и крупнопористых Б. определяется испытанием на сжатие бетонных кубов со стороной, равной 200 мм, изготовленных из рабочего состава и испытанных после определённого срока выдержки. Для образцов монолитного Б. промышленных и гражданских зданий и сооружений срок выдержки при нормальном твердении (при температуре 20 °С и относительной влажности не ниже 90%) равен 28 сут. Прочность Б. в возрасте 28 сут R28 нормального твердения можно определять по формуле:

R28 = aRц (Ц/В — б),

где Рц — активность (прочность) цемента; Ц/В — цементно-водное отношение; а — 0,4—0,5 и б — 0,45—0,50 — коэффициенты, зависящие от вида цемента и заполнителей. Для установления марки Б. гидротехнических массивных сооружений срок выдержки образцов равен 180 сут. Срок выдержки и условия твердения образцов Б. сборных изделий указываются в соответствующих ГОСТах. За марку силикатных и ячеистых Б. принимают временное сопротивление в кгс/см2 на сжатие образцов тех же размеров, но прошедших автоклавную обработку одновременно с изделиями (1 кгс/см2 — 0,1 Мн/м2). Особо тяжёлые Б. имеют марки от 100 до 300 (~10—30 Мн/м2), тяжёлые Б. — от 100 до 600 (~10—60 Мн/м2). Марки высокопрочных Б. — 800—1000 (~80—100 Мн/м2). Применение высокопрочных Б. наиболее целесообразно в центрально-сжатых или сжатых с малым эксцентриситетом колоннах многоэтажных промышленных и гражданских зданий, фермах и арках больших пролётов. Лёгкие Б. на пористых заполнителях имеют марки от 25 до 200 (~2,5—20 Мн/м2), высокопрочные Б. — до 400 (~40 Мн/м2), крупнопористые Б. — от 15 до 100 (~1,5—10 Мн/м2), ячеистые Б. — от 25 до 200(~2,5—20 Мн/м2), особо лёгкие Б. — от 5 до 50 (~0,5—5 Мн/м2). Прочность Б. на осевое растяжение ниже прочности Б. на сжатие примерно в 10 раз.

Требования по прочности на растяжение при изгибе могут предъявляться, например, к Б. дорожных и аэродромных покрытий. К Б. гидротехнических и специальных сооружений (телевизионные башни, градирни и др.), кроме прочностных показателей, предъявляются требования по морозостойкости, оцениваемой испытанием образцов на замораживание и оттаивание (попеременное) в насыщенном водой состоянии от 50 до 500 циклов. К сооружениям, работающим под напором воды, предъявляются требования по водонепроницаемости, а для сооружений, находящихся под воздействием морской воды или др. агрессивных жидкостей и газов, — требования стойкости против коррозии. При проектировании состава тяжёлого цементного Б. учитываются требования к его прочности на сжатие, подвижности бетонной смеси и её жёсткости (технической вязкости), а при проектировании состава лёгких и особо тяжёлых Б. — также и к плотности. Сохранение заданной подвижности особенно важно при современных индустриальных способах производства; чрезмерная подвижность ведёт к перерасходу цемента, а недостаточная затрудняет укладку бетонной смеси имеющимися средствами и нередко приводит к браку продукции. Подвижность бетонной смеси определяют размером осадки (в см) стандартного бетонного конуса (усечённый конус высотой 30 см, диаметром нижнего основания 20 см, верхнего — 10 см). Жёсткость устанавливается по упрощённому способу профессора Б. Г. Скрамтаева либо с помощью технического Вискозиметра и выражается временем в сек, необходимым для превращения конуса из бетонной смеси в равновеликую призму или цилиндр. Эти исследования производят на стандартной лабораторной виброплощадке с автоматическим выключателем, используемой также при изготовлении контрольных образцов. Градации подвижности бетонной смеси приводятся в табл.

Градации подвижности бетонной смеси

Выбор бетонной смеси по степени её подвижности или жёсткости производят в зависимости от типа бетонируемой конструкции, способов транспортирования и укладки Б. Наряду с ценными конструктивными свойствами Б. обладает также и декоративными качествами. Подбором компонентов бетонной смеси и подготовкой опалубок или форм можно видоизменять окраску, текстуру и фактуру Б.; фактура зависит также и от способов механической и химической обработки поверхности Б. Пластическая выразительность сооружений и скульптуры из Б. усиливается его пористой, поглощающей свет поверхностью, а богатая градация декоративных свойств Б. используется в отделке интерьеров и в декоративном искусстве.

Лит.: Малюга И. Г., Состав и способ приготовления цементного раствора (бетона) для получения наибольшей крепости, СПБ, 1895; Самович И., Составление пропорций цементных растворов и бетонов, «Инженерный журнал», 1890, № 7—8 и 9; Беляев Н. М., Метод подбора состава бетона, Л., 1927; Скрамтаев Б. Г., Исследование прочности бетона и пластичности бетонной смеси, М., 1936 (Дисс.); Москвин В. М., Бетон для морских гидротехнических сооружений, М., 1949; Шестоперов С. В., Долговечность бетона транспортных сооружений, 3 изд., М., 1966; Миронов С. А., Малин и на Л. А., Ускорение твердения бетона, 2 изд., М., 1964; СНиП, ч. 1, разд. В, гл. 3. Бетоны на неорганических вяжущих и заполнителях, М., 1963; Десов А. Е., Тяжелые и гидратные бетоны. (Для защиты от радиоактивных воздействий), М., 1956; Некрасов К. Д., Жароупорный бетон, М., 1957; Суздальцева А. Я., Бетон в современной архитектуре, М., 1968; Taylor W. Н., Concrete technology and practice, 2 ed., N. Y., 1967.

Библ.: Библиографический справочник литературы по технологии бетона за 1895—1940, под ред. Б. Г. Скрамтаева, М., 1941.

А. Е. Десов.