Бето́н (от ) — искусственный каменный строительный материал, получаемый в результате формования и затвердевания рационально подобранной, тщательно перемешанной и уплотнённой смеси из минерального (чаще всего это портландцемент) или органического вяжущего вещества, крупного или мелкого заполнителей, воды. В ряде случаев может иметь в составе специальные добавки, а также не содержать воды (например, асфальтобетон).
В строительстве наиболее широко используют бетоны, изготовленные на цементах или других неорганических вяжущих. Эти бетоны обычно затворяют водой. Цемент и вода являются активными составляющими бетона; в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителя в монолит.
На органических вяжущих веществах (битум, минеральные смолы) бетонную смесь получают без введения воды, что обеспечивает высокую плотность и непроницаемость бетонов.
История
Наиболее ранний бетон, обнаруженный археологами при раскопках в посёлке Лепенски Вир (Сербия), можно отнести к 5600 году до н. э. В одной из хижин древнего поселения из бетона, замешанного на гравии и местной извести, был изготовлен пол толщиной 25 смСуществует мнение, что природный цемент и бетон на его основе использовался при строительстве храмового комплекса Гёбекли-Тепе, возраст которого оценивается в 12 тыс. лет. В Сирии и Иордании сохранились подземные резервуары для воды из природного бетона, датируемые восьмым тысячелетием до н. э. // «The hidden strengths of unloved concrete» , BBC News, 16.01.2017..
Широко бетон использовался в Древнем Риме. Италия — вулканическая страна, в которой легко доступны компоненты, из которых может быть приготовлен бетон, включая пуццоланы и лавовый щебень. Римляне использовали бетон в массовом строительстве общественных зданий и сооружений, включая Пантеон, купол которого до сих пор является наиболее крупным в мире выполненным из неармированного бетона. При этом в восточной части государства эта технология не получила распространения, там в строительстве традиционно использовался камень, а затем и дешёвая плинфа — род кирпича.
Вследствие падения Западной Римской империи широкомасштабное строительство монументальных зданий и сооружений сошло на нет, что сделало использование бетона нецелесообразным и в сочетании с общей деградацией ремесла и науки привело к утрате технологии его производства. В период раннего Средневековья единственными крупными архитектурными объектами были соборы, которые возводились из природного камня.
В середине XVIII века английский инженер Джон Смитон изобрёл способ изготовления цемента, способного твердеть под водой. Для этого он использовал известняк, содержащий глину. Он применил этот материал при строительстве маяка Эддистон в 1759 году. Патент на «римский цемент» получил в 1796 году . Путём обжига смеси из глины и извести Паркер получил романцемент — первую в истории марку цемента. Смешанный в определённых пропорциях с гравием, песком и водой такой цемент и образовывал бетон. В первой половине XIX века многими исследователями и промышленниками был разработан портландцемент современного типа. Патент на портландцемент получил в 1824 году , в 1844 году улучшил портландцемент Аспдина. В 1817 году Луи Вика изобрёл цементный клинкер. Параллельно росту производства портландцемента происходило расширение использования цементных растворов и бетонов в строительстве.
Мировыми лидерами в производстве бетона являются Китай (430 млн м³ в 2006 г.) и США (345 млн м³ в 2005 г.European Ready Mixed Concrete Industry Statistics based on the Y2007 production data и 270 млн м³ в 2008 г.). В России в 2008 г. было произведено 52 млн м³ бетона.
Классификация и виды бетона
Согласно ГОСТ 25192-2012 «Бетоны. Классификация и общие технические требования» и ГОСТ 7473-2010 «Смеси бетонные. Технические условия», классификация бетонов (за исключением бетонов на битумных вяжущих — асфальтобетонов) производится по основному назначению, виду вяжущего вещества, виду заполнителей, структуре и условиям твердения:
По назначению различают: бетоны обычные (для промышленных и гражданских зданий) специальные — гидротехнические, дорожные, теплоизоляционные, декоративные, а также бетоны специального назначения (химически стойкие, жаростойкие, звукопоглощающие, для защиты от ядерных излучений и др.). По виду вяжущего вещества различают цементные, известковые, силикатные, гипсовые, шлаковые (шлакощелочные и др.), специальные (полимербетоны, бетоны на магнезиальном вяжущем). По виду заполнителей различают бетоны на плотных, пористых или специальных заполнителях. По структуре различают бетоны плотной, поризованной, ячеистой (ячеистый бетон) или крупнопористой структуры. По условиям твердения бетоны подразделяют на твердеющие в естественных условиях, в условиях тепловлажностной обработки при атмосферном давлении или в условиях тепловлажностной обработки при давлении выше атмосферного (автоклавного твердения). По средней плотности бетоны подразделяют на:
особо тяжёлый (плотность свыше 2500 кг/м³) — баритовый, магнетитовый, лимонитовый; тяжёлый (плотность 2000—2500 кг/м³); облегчённые (плотность 1800—2200 кг/м³); лёгкий (плотность 200—2000 кг/м³) — керамзитобетон, пенобетон, газобетон, пемзобетон, арболит, вермикулитовый, перлитовый; особо лёгкий (плотность менее 800 кг/м³) — полистиролбетон.
Значения начального модуля упругости бетона при сжатии и растяжении Eb приведены в таблице 6.11 СП 63.1330.2012, в E·10-3, МПа.
Производство бетона
Цементобетон производится смешиванием цемента, песка, щебня и воды (соотношение их зависит от марки цемента, фракции и влажности песка и щебня), а также небольших количеств добавок (пластификаторы, гидрофобизаторы, и т. д.). Цемент и вода являются главными связующими компонентами при производстве бетона. Например, при применении цемента марки 400 для производства бетона марки 200 используется соотношение 1:3:5:0,5. Если же применяется цемент марки 500, то при этом условном соотношении получается бетон марки 350. Соотношение воды и цемента («водоцементное соотношение», «водоцементный модуль»; обозначается «В/Ц») — важная характеристика бетона. От этого соотношения напрямую зависит прочность бетона: чем меньше В/Ц, тем прочнее бетон. Теоретически для гидратации цемента достаточно В/Ц = 0,2, однако у такого бетона слишком низкая пластичность, поэтому на практике используются В/Ц = 0,3—0,5 и выше.
Распространённой ошибкой при кустарном производстве бетона является чрезмерное добавление воды, которое увеличивает подвижность бетона, но в несколько раз снижает его прочность, потому очень важно точно соблюсти водоцементное соотношение, которое рассчитывается по таблицам в зависимости от используемой марки цемента.
Заполнители бетона В качестве заполнителя могут использоваться природные или искусственные сыпучие каменные материалы. Занимая в бетоне до 80—85 % его объёма, заполнители образуют жёсткий скелет бетона, уменьшая усадку и предотвращая образование усадочных трещин.
В зависимости от размера зёрен заполнитель делят на мелкий (песок) и крупный (щебень и гравий).
Заполнители самовосстанавливающегося бетона могут быть химические (на основе битума), и органические (капсулы с кальцийпродуцирующими бактериями). Такой самовосстанавливающийся бетон перспективен для строительства, например, мостов. Результаты испытаний показывают почти полное залечивание трещин в течение примерно 4 недель.
Подбор состава бетона Одной из важнейших составляющих бетонной смеси является песок. Для приготовления бетона лучше использовать природный песок от среднего до крупного. Крупность песка и его соотношение с крупным заполнителем (щебнем или гравием в тяжёлом бетоне, керамзитом — в лёгком) в составе бетонной смеси влияет на подвижность и количество цемента. Чем мельче песок, тем больше требуется минерального заполнителя и воды. Важнейшим ограничением при использовании природного песка является ограничение на наличие в составе песка глины или глинистых частиц. На прочность бетона мелкие (глинистые) частицы влияют очень сильно. Даже незначительное их количество приводит к существенному снижению прочности бетона. Поэтому при отсутствии природного песка без глинистых частиц имеющийся в наличии песок улучшается (обогащается) с помощью следующих процедур: промывки песка; разделения песка на фракции в потоке воды; выделения из песка нужной фракции; смешивания песка, имеющегося в зоне выполнения работ, с привозным высококачественным песком.
После обогащения и подготовки песок должен удовлетворять условиям, определяемым так называемой стандартной областью просеивания. Зерновой состав, определяемый просеиванием песка через сита с разными отверстиями, должен укладываться в область, показанную на рисунке штрихами. Можно использовать песок с размерами частиц с учётом и не заштрихованной области, но только для бетонов марки 150 и нижеП. П. Бородавкин Зерновой состав песка для приготовления бетонной смеси.
Вместо песка можно успешно использовать отходы производства металлургической, энергетической, горнорудной, химической и других отраслей промышленностиТуркина И. А. Бетоны на отходах производства // Технологии бетонов. — 2013. — № 8 (85). — С. 42—44..
Укладка, уплотнение, затвердевание
Бетонная смесь после приготовления и укладки должна быть как можно быстрее уплотнена. В процессе уплотнения избавляются от воздуха в воздушных карманах, а также перераспределяют цементное молоко для более плотного соприкосновения с твёрдыми фракциями бетона. Это приводит к повышению прочности готового бетона. Для уплотнения используется вибрация. При виброуплотнении в монолитном строительстве используют ручные вибраторы, в блочном — вибропрессы. Температура отвердевания — от +5 °C до +30 °C.
При бетонных работах возникают технологические остатки бетона в бетононасосе или миксере при их сливе на землю возникают локальные загрязнения. Для эффективного использования остатков бетона возможно заранее подготовить небольшие формы.
Эксплуатационные свойства
Прочность на сжатие Основной показатель, которым характеризуется бетон — прочность на сжатие. По ней устанавливается класс бетона.
Класс бетона В — это кубиковая (призменная) прочность в МПа, принимаемая с гарантированной обеспеченностью (доверительной вероятностью) 0,95. Это значит, что установленное классом свойство обеспечивается не менее чем в 95 случаях из 100 и лишь в пяти случаях можно ожидать его не выполненным.
Согласно СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции», класс обозначается латинской буквой «B» и цифрами, показывающими выдерживаемое давление в мегапаскалях (МПа). Например, обозначение В25 означает, что стандартные кубики (100×100×100 мм), изготовленные из бетона данного класса, в 95 % случаев выдерживают давление 25 МПа. Для расчёта показателя прочности необходимо учитывать и коэффициенты, например, для бетона класса В25 по прочности на сжатие нормативное сопротивление Rbn, применяемое в расчётах, составляет 18,5 МПа, а расчётное сопротивление Rb — 14,5 МПа.
Возраст бетона, отвечающий его классу по прочности на сжатие и осевое растяжение, назначается при проектировании, исходя из возможных реальных сроков загрузки конструкции проектными нагрузками, способа возведения, условий твердения бетона. При отсутствии этих данных класс бетона устанавливается в возрасте 28 суток.
Наряду с классами, прочность бетона также задаётся марками, обозначаемыми латинской буквой «М» и цифрами от 50 до 1000, означающими предел прочности на сжатие в кгс/см². ГОСТ 26633-91 «Бетоны тяжёлые и мелкозернистые. Технические условия» устанавливает следующее соответствие между марками и классами при коэффициенте вариации прочности бетона 13,5 %: