Своего рода «жидким камнем» можно назвать бетон. Несмотря на достаточно частую связь этого материала с жёсткой городской архитектурой середины 20-го века, бетон по праву заслуживает звание героя современного материального мира. Встретить материал можно повсеместно — от конструкций небоскребов, мостов, транспортных шоссе, подземных туннелей, наконец, под полом собственного дома. Несмотря на внешнюю простоту, бетон удивительная штука. Что же это такое при более близком знакомстве? Посмотрим?
СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :
Особенности типичной бетонной смеси
Название «бетон» является производной латинского языка, где присутствует слово «concretus». Прямой перевод слова означает «расти вместе». Собственно, так это и есть – происходит реальный рост, когда объединяются три составляющих:
- Смесь грубых и мелких заполнителей (песок, гравий, камни, крупные куски щебня, переработанное стекло, остатки старого переработанного бетона и т.п.) – обычно в объёме 60–75%.
- Цемент (силикаты и алюминаты кальция) – обычно в объёме 10–15%.
- Вода – обычно в объёме 15–20%.
Объединённые и тщательно перемешанные, эти простые ингредиенты образуют композит — гибридный материал, в некотором смысле лучше материалов, его составляющих.
Лучшим свойством бетона выступают: прочность, твёрдость, долговечность. Представляя бетон композитом, следует отметить — цементный гидрат является фоновым связующим материалом (технически именуемым «матрицей»), которому песок и гравий придают дополнительную прочность («армирование»).
Тонкости образования бетона
Как бетон образуется из ингредиентов, не имеющих ничего общего с конечным продуктом? Когда добавляется вода к цементу, активируется рост кристаллов гидрата цемента (кальций-кремнезем-гидрат). Кристаллы плотно соединяют песок и гравий между собой.
Именно это постепенное образование кристаллов (а не фактор твердения смеси) придаёт бетону свойство прочности. Как правило, уже схватившийся бетон смачивают некоторое время (несколько дней). Объясняется такой подход «активизацией» химических реакций, гидратирующих цемент.
Мягкая слизистая смесь, выпадающая из бетоносмесителя, постепенно становится тяжелее материалов, из которых сформирована. «Жидкий камень» становится настоящим камнем, точнее — искусственным камнем.
Твердение временем — часы, месяцы, года
Постепенно отвердевший за часы, бетон, между тем, приобретает реальную твёрдость примерно спустя месяц. Но и здесь предел отвердения ещё не достигнут. Как показали исследования, бетон продолжает укрепляться в течение как минимум пяти лет с момента создания.
Научные исследования, проведённые не так давно, указывают интересный факт — «кристаллы» внутри бетона на самом деле вовсе не являются кристаллами.
Будучи не упорядоченными и совершенно неправильными, кристаллы бетона обладают случайной структурой. Подобного рода структуры встречаются, к примеру, у стекла (аморфного твёрдого вещества).
Скопления воздуха между компонентами
Бетон содержит довольно большое количество воздуха (5–10%). Объясняется это наличием некоторого пространства вокруг открытой трехмерной структуры кристаллов гидрата цемента и некоторого количества песка и гравия.
Присутствие воздуха, в свою очередь, объясняет, почему бетон способен изгибаться и напрягаться, растягиваться и сжиматься (в определённой степени).
Подобно любым другим рецептурам, допускается несколько изменять смесь приготовления бетона. Таким способом можно производить бетон:
- более текучий,
- медленно или быстро схватывающийся,
- лучше выветривающийся,
- определённого цвета (внешнего вида).
Например, добавление пигмента диоксида титана видится простым способом сделать бетон яркой расцветки или полностью белым.
Другой вариант — газобетон, внешне напоминающий жесткую губку с массой крошечных воздушных карманов внутри. Эти карманы позволяют бетону расширяться и сжиматься в зависимости от погодных условий без образования трещин. Наличием карманов улучшаются теплоизоляционные свойства материала.
Почему бетон так популярен в строительстве?
Городских жителей бетон окружает повсеместно. Понять этот факт несложно. Бетон легко изготавливать из дешевых, легко доступных ингредиентов, легко разливать по формам и тем самым создавать образцы разной конфигурации. Этому материалу присущи свойства огнеупорного и (относительно) водонепроницаемого материала.
Однако главная причина обширного применения бетона при строительстве зданий заключается в том, что бетон демонстрирует чрезвычайно высокие параметры на сжатие, способен выдерживать значительную весовую нагрузку. Традиционное использование материала – сооружение стен и фундаментов (вертикальных опор), как лучший способ держать весовую нагрузку.
Вместе с тем, если рассматривать свойство бетона работать на растяжение, здесь отмечается существенный недостаток материала. На растяжение бетон демонстрирует параметры примерно в 10 раз более слабые, чем при сжатии. Материал легко трескается или ломается, работая на сгиб или растяжение, если только не укреплён стальной конструкцией. Поэтому горизонтальные балки редко содержат большой объём бетона.
Обманчивый внешний образ
Внешне бетон выглядит тяжёлой монолитной конструкцией, на самом же деле материал не такой тяжёлый, как можно предположить. Структура материала, примерно, на одну пятую плотнее свинца, на треть плотнее стали, на 10% меньше плотности алюминия и немногим плотнее стекла.
Несмотря на то, что бетон часто смешивается на месте и формуется в любые необходимые формы, материал также может поставляться готовыми сборными «модулями». Нередко модулями готовятся:
- блоки,
- балки,
- стены,
- тротуары,
- облицовка и другие.
Гигантские современные конструкции сегментных мостов, к примеру, быстро собираются из одинаковых бетонных секций, сделанных на заводе и отправленных к месту сборки.
Так обеспечивается экономичное строительство, исполняемое быстрыми темпами, с минимальной трудоёмкостью, чем в случае возведения моста непосредственно на месте. Другим вариантом является создание бетонных конструкций, объединяющих некоторые сборные секции с другими секциями.
Что такое железобетон?
Как отмечалось ранее, бетон рассматривается композитным материалом — цементной матрицей с заполнителями для армирования. Такая матрица хорошо работает на сжатие, но не на растяжение. Между тем проблема с растяжением решается, если применять стальную арматуру.
Жидкий бетон укладывают вокруг прочных стальных арматурных стержней (обычно связанных вместе формой клетки). Когда смесь застывает и затвердевает вокруг стержней, получается новый композитный материал – железобетон.
Железобетонная конструкция характерна высокой сопротивляемостью сдавливанию (обеспечивает прочность на сжатие), в то время как сталь оказывает сопротивление на изгиб и растяжение (обеспечивает прочность на растяжение).
По сути, железобетон использует один композитный материал внутри другого материала. Бетон образует матрицу, а стальные стержни или проволоки обеспечивают армирование.
Стальные стержни (арматурные стержни) обычно изготавливаются скрученными прядями с выступами (гребнями, хребтами) на них. Благодаря выступам, арматура прочно закрепляется внутри бетона без риска скольжения. Теоретически допустимо использовать разные виды материалов под армирование.
Как правило, используется сталь, потому что имеет коэффициент расширения и сжатия примерно сопоставимые с теми же показателями бетона. Этот момент важен, так как сопоставимый по коэффициентам материал не способствует растрескиванию структуры в точках связи, на сто способен другой материал с иными коэффициентами. Однако иногда используются другие материалы, в том числе различные виды пластмасс.
Предварительно напряженный бетон
Несмотря на то, что железобетон является улучшенным строительным материалом по сравнению с обычным бетоном, свойства хрупкости и подверженность растрескиванию остаются актуальными недостатками. Силы растяжения способны повредить железобетон, несмотря на стальную арматуру, если к арматуре возможен доступ воды.
Исключить такой недостаток позволяет эффект «постоянного сжатия» железобетона путём предварительного напряжения (предварительного натяжения). Таким образом, вместо того, чтобы укладывать обычные стальные стержни и заливать жидким бетоном, предварительно эти стержни натягивают.
По мере застывания смеси, тугие стержни тянут внутрь, сжимая бетон и увеличивая прочность материала. В качестве альтернативы, арматура в железобетоне может подвергаться нагрузке после того, как смесь начинает затвердевать. Этот метод известен как постнапряжение (натяжение арматуры на бетон).
В любом случае, удерживание материала в сжатом состоянии – это своего рода «хитрая уловка», помогающая остановить растрескивание (предотвращает распространение трещин, если таковые образуются).
Другое преимущество метода состоит в меньшем использовании предварительно напряженного (пост-напряженного) бетона или более мелких, более тонких деталей, чтобы выдерживать те же нагрузки по сравнению с обычным железобетоном.
Что такое бетонная «болезнь»?
Для современного материала характерным недостатком является «болезнь», основанная на трёх взаимосвязанных проблемах.
- Щёлочи цемента реагируют с кремнеземом в заполнителях, что приводит к очень медленному росту новых кристаллов внутри бетона. К тому же новые кристаллы занимают больше места, чем исходные «кристаллы». В результате бетон трескается на части изнутри или отслаивается (откалывается) от поверхности, пропуская воду снаружи.
- Вода, попадающая внутрь, в конечном итоге проникает к арматурным стержням, вызывая ржавчину и разрушение, что приводит к фатальным слабостям всей конструкции. Грязные коричневые пятна, характерные для «больного» бетона, часто вызваны ржавой водой, проникающей через трещины.
- Вода, просочившаяся внутрь бетонной структуры через трещины, замерзает в холодное время года, образовавшийся лёд расширяется и способствует образованию трещин. Сквозь новые трещины внутрь проникает больше воды, чем увеличивается эффект дегенерации и разложения.
Воздействие цемента на окружающую среду
Растущая обеспокоенность по поводу окружающей среды, в частности, изменения климата, высветила еще одну серьезную проблему. Как выясняется, после сфер транспорта и энергетики, сфера производства цемента занимает третье место по выбросам углекислого газа в атмосферу.
Технологический процесс производства цемента сопровождается выделением больших объёмов углекислого газа. Если учесть, насколько огромное количество цемента используется во всём мире, можно представить объёмы выделения карбона.
Углекислый газ выделяется двумя совершенно разными путями, в количествах, примерно, равноценных:
- От ископаемого топлива, используемого в производстве цемента.
- От реакции превращения карбоната кальция в оксид кальция.
Поскольку при производстве цемента диоксид углерода выделяется двумя способами, логичными видятся два способа изготовления более экологически чистого бетона.
Сжиганием угля выделяется больше парниковых газов, чем сжиганием других видов топлива, а цементные печи традиционно работают на угле. Перевод с угля на природный газ — одно из решений, так как газ выделяет меньше углекислого газа при заданном количестве энергии.
Повышение эффективности цементных печей снижает общую потребность в энергии, что также приводит к снижению выбросов углекислого газа. Также допустимо уменьшить количество цемента в бетонной смеси, используя переработанные материалы, например, летучую золу мусоросжигательных заводов.
Одной из интересных перспектив видится производство бетона, когда совсем не используется карбонат кальция. Вместо этого карбонат производится путем барботирования углекислого газа электростанций через морскую воду. Этот способ имеет общую экологическую выгоду, так как принимает вредные выбросы CO2 от электростанций, превращая карбон в строительный материал.
Еще один экологический недостаток связан с использованием заполнителей. Этот материал необходимо добывать на территории экологически чувствительных районов, таких как речные долины. Использование переработанных заполнителей (включая переработанный материал старых зданий под снос) видится возможным решением.
На основе информации: Explainthatstuff