Бетон

БЕТОН (французский béton, от латинского bitumen - горная смола), искусственный каменный материал, получаемый в результате формования и твердения рационально подобранной смеси, состоящей из вяжущего материала, воды (реже без неё), заполнителей и специальных добавок; до формования эту смесь называют бетонной смесью.

Об изготовлении конструкций и изделий из бетона смотри в статье Бетонные работы.

Бетон - один из основных строительных материалов, характеризуется высокой технологичностью и достаточно высокими физико-механическими свойствами. Приготовление бетона - малоэнергоёмкий и экологически безопасный процесс. Бетонная смесь пластична, что позволяет формовать из неё изделия и конструкции любой конфигурации. Варьируя состав бетонной смеси, можно получать бетон с требуемыми свойствами.

Классификация и области применения бетонов. По виду вяжущего материала различают бетон на неорганических вяжущих (цементные, гипсобетоны, силикатные бетоны, на жидком стекле, на магнезиальных вяжущих, серные), на органических вяжущих (асфальтобетоны, полимербетоны) и на смешанном вяжущем (полимерцементный бетон).

По структуре подразделяются на бетон слитного строения (с крупным заполнителем и мелкозернистые), ячеистые бетоны (поробетоны) и крупнопористые бетоны (беспесчаные). Возможны бетоны со смешанной структурой (например, слитного строения с поризованным цементным камнем).

В зависимости от структуры и вида заполнителей получают бетон с разной средней плотностью (кг/м³): особо тяжёлые (более 2500), тяжёлые (от 1800 до 2500), лёгкие (от 600 до 1800) и особо лёгкие (менее 600).

Особо тяжёлые бетоны изготовляются преимущественно на портландцементе с металлическими заполнителями (чугунная дробь, скрап, обрезки арматуры) или заполнителями из руд (магнетит, гематит, лимонит и т.п.). Плотность бетона на металлических заполнителях может достигать 6000 кг/м³. Основное назначение таких бетонов - защита от γ-излучения в радиационно-технических установках (реакторы АЭС и т.п.). Бетоны защитной оболочки корпуса ядерного реактора кроме высокой плотности и заданной марки по прочности не должны терять свои свойства даже при температурах, возможных при аварийном режиме реактора, т. е. быть достаточно жаростойкими.

Тяжёлый бетон - наиболее распространённый вид бетона. Обычно это цементный бетон, в котором в качестве заполнителей использованы гравий, щебень из плотных горных пород (известняк, гранит, базальт и др.) либо из металлургических шлаков, а также природные (главным образом кварцевые) или дроблёные пески. К тяжёлым бетонам относят также силикатные бетоны на плотных заполнителях. Основные показатели качества тяжёлого бетона - класс прочности на сжатие и морозостойкость. Применяется для несущих конструкций гражданских и промышленных зданий, при строительстве автодорог, аэродромов, гидротехнических сооружений и тому подобное.

Лёгкий бетон обычно получают, используя пористые заполнители (пемза, туф, керамзит, шлаковая пемза и др.) и обычный или пористый песок. В зависимости от вида заполнителя такие бетоны называют керамзитобетоном, шлакобетоном, пемзобетоном и т.п. Для снижения плотности бетона применяют технологию образования пор в цементном камне (поризацию) газо- или пенообразователями. К лёгким бетонам относят также ячеистые бетоны с плотностью 600-1200 кг/м³; в зависимости от метода поризации их называют газо- или пенобетонами. Основные характеристики лёгких бетонов - прочность на сжатие и средняя плотность. Лёгкие бетоны главным образом используют для ограждающих конструкций, стеновых панелей, реже в несущих конструкциях (балки, перекрытия). Для целей теплоизоляции получают бетон на пористых заполнителях без песка - крупнопористый бетон.

Особо лёгкие бетоны в основном ячеистые; благодаря высокой пористости они имеют низкую теплопроводность и применяются для теплоизоляции. В виде мелкоштучных блоков и в монолитном варианте их применяют для заполнения каркаса зданий. К этой группе относят также крупнопористые бетоны на полимерном связующем и пористых заполнителях.

В зависимости от метода изготовления различают бетон монолитный и сборный. Монолитный бетон с помощью опалубки формуют в рабочем положении непосредственно на стройке, где он и твердеет. Сборный бетон поступает на строительную площадку в виде готовых элементов и конструкций, изготовленных на специализированных предприятиях.

По назначению бетоны могут быть конструкционными, конструкционно-теплоизоляционными и теплоизоляционными в зависимости от преобладания у них прочностных или теплоизоляционных свойств. Помимо этих основных типов существуют специальные бетоны: жаростойкие бетоны, кислотоупорные, дорожные, гидротехнические, фибробетоны, бетонополимеры, торкрет-бетоны, электропроводящие и др.

Физико-технические характеристики бетона. Под термином «бетон» обычно подразумевают тяжёлый цементный бетон, так как именно он был и остаётся основным видом бетона в строительстве. О механизме твердения бетона смотри в статье Цемент.

Основные свойства бетона - плотность, прочность при сжатии и растяжении, морозостойкость и теплопроводность.

Важнейший показатель качества конструкционных бетонов - их прочность на сжатие, которая определяется испытанием на сжатие бетонных образцов - кубов, твердевших 28 суток в стандартных условиях (на воздухе при температуре 15—20 °С и относительной влажности 90-100%). Т.к. бетон материал неоднородный, то при проектировании и изготовлении бетонных изделий используют понятие класса бетона - величину, учитывающую коэффициент вариации прочности, т. е. гарантированную прочность с обеспеченностью 0,95. Наиболее часто используют бетоны классов от В7,5 до В35 (МПа). При использовании высокопрочного портландцемента и суперпластификаторов может быть получен бетон классов от В40 до В90. Прочность бетона на растяжение в 5-10 раз ниже прочности на сжатие; этот недостаток компенсируется армированием бетона (смотри в статье Железобетон).

Морозостойкость бетона зависит в основном от его капиллярной пористости. Марки по морозостойкости от F100 до F500 и выше; определяются они числом циклов «замораживания-оттаивания» до потери бетоном более 5% первоначальной прочности. Марки бетона по водонепроницаемости W2; W4; W6; W8 и так далее (число - давление воды в атмосферах, при котором бетон при стандартных испытаниях не пропускает воду).

Основная проблема технологии тяжёлого бетона - оптимизация количества воды, необходимой для его приготовления. С одной стороны, нужно иметь удобоукладываемую смесь, что требует достаточно большого расхода воды; с другой стороны, следует обеспечить получение бетона высокой прочности и долговечности, что требует минимизации расхода воды, так как её избыток увеличивает пористость бетона. Это противоречие решается либо снижением расхода воды (при этом потеря удобоукладываемости смеси компенсируется интенсивным механическим уплотнением), либо использованием пластификаторов и суперпластификаторов, обеспечивающих пластичность смеси при малом расходе воды.

Историческая справка. Бетон - один из старейших строительных материалов. В Междуречье, Китае, Египте, Древней Греции, Древнем Риме и других странах бетоны на различных вяжущих (асфальте, глине, гипсе) использовали при сооружении арен, акведуков, возведении фундаментов зданий. До наших дней в Риме сохранился Пантеон с куполом диаметром 43,2 м, выполненным из бетона на известково-пуццолановом вяжущем. С падением Римской империи бетон был забыт; применение его возобновилось лишь в эпоху Возрождения в западноевропейских странах. Тогда в качестве вяжущего в бетоне использовали гидравлическую известь и романцемент. Из бетона возводились фундаменты, гидротехнические сооружения и т.п. В 1824 году Дж. Аспдин в Англии получил патент на способ изготовления портландцемента, что послужило толчком к развитию и совершенствованию технологии бетона. Распространению бетона способствовало изобретение в 19 веке железобетона. К концу 19 века бетон завоевал прочные позиции в строительстве во всём мире.

Первые исследования в области теории бетона относятся к концу 19 века. В 1895 году российский учёный И. Г. Малюга определил зависимость между содержанием воды в бетонной смеси и прочностью бетона. В 1918 году Д. Абрамс (США) установил количественные зависимости прочности бетона от водноцементного фактора и подвижности бетонной смеси от её состава. Научные основы проектирования состава бетона с заданными свойствами были развиты в 1932- 1941 годах советским учёным Н.М. Беляевым. Тогда же И. Боломе (Швейцария) упростил практическое применение сложной формулы состава бетонной смеси, предложив использовать при проектировании линейную зависимость прочности бетона от обратной величины - цементно-водного отношения. Уточнение этой зависимости для обычных и высокопрочных бетонов и расчёт состава бетон по методу абсолютных объёмов в 1965 году предложил Б. Г. Скрамтаев. Этот метод используется и в настоящее время.

В 30-х годах 20 века в технологию бетона вошёл метод виброуплотнения, позволивший использовать жёсткие бетонные смеси и получать бетон высокой прочности. В 1930-50-х годах началось активное применение лёгких бетонов. Во 2-й половине 20 века в технологию бетона вошли пластификаторы и суперпластификаторы, позволившие получать бетон с высокой прочностью, морозостойкостью и водонепроницаемостью из пластичных смесей с минимальным виброуплотнением и даже без него.

Производство новых видов вяжущих материалов и полимерных добавок, а также использование полимеров в качестве вяжущих веществ существенно расширило номенклатуру бетона; появились полимербетоны, бетонополимеры, безусадочные, расширяющиеся и др. К началу 21 века мировой объём производства бетонов различных видов составлял более 2 миллиардов м³ в год.

Лит.: Малюга И. Г. Состав и способ приготовления цементного раствора (бетона) наибольшей крепости. СПб., 1895; Беляев Н.М. Метод подбора состава бетона. Л., 1927; Скрамтаев Б. Г. Бетоны различных видов. М.; Л., 1933; Попов Н.А. Производственные факторы прочности легких бетонов. М.; Л., 1933; Невилль А. М. Свойства бетона. М., 1972; Шейнин А. Е., Чеховский Ю. В., Бруссер М. И. Структура и свойства цементных бетонов. М., 1979; Баженов Ю. М. Технология бетона. М., 2003; Технология бетона. Библиографический справочник литературы за 1890-1947 годы Тб., 1948.