Бетон как герой нашего времени. Обзорная статья

В одном бетонном, бетонном городе,

на одной бетонной, бетонной улице

стоит бетонный, бетонный дом…

Кулоны из бетона, коллекция  американского дизайнера Ryan Kahen (цена 60$ за штуку)

Замесить цемент с водой и все? Ну добавить песка, улучшителей… Залили фундамент или сделали монолит – что тут интересного и нового?

Но пора восстановить справедливость, показать, на что способен бетон. Уникальный, с безграничными возможностями, он везде, он самый распространенный строительный материал в мире.

История старая и новая

Консерваторы и любители поворчать обычно ставят в пример Колизей и Пантеон: «Вот раньше был бетон, так бетон, не то, что сейчас – пыль, да грязь». Да, древние римляне довели бетон до ума, сама земля давала нужные материалы для нарастания вековой прочности: пуццоланы, лавовый щебень, туф. Но Римская империя закончилась, а вместе с ней был утрачен и рецепт бетона на многие столетия. Что они такого добавляли, и главное, в каких пропорциях – вопрос без ответа.

О бетоне ничего не было слышно вплоть до конца 18 века, когда возобновилась работа по созданию устойчивых формул цемента. В 1824 году у англичан появился портландцемент на основе клинкера (известняк и глина), гипса и силикатных добавок. До сих пор этот вид цемента является наиболее распространенной составляющей бетона. Очередным прорывом стало изобретение в 1867 году железобетона (армированного бетона). Хотя еще в 1802 году в России при строительстве Царскосельского дворца уже использовали металлические стержни для армирования перекрытия, выполненного из известкового бетона. Но наши дело делают, а о патентах не думают… Поэтому англичане и французы считаются первооткрывателями в этой области.

Достоинства бетона

Со временем бетон стал универсальным материалом для фундамента зданий, его применяют в строительства мостов, дамб, промышленных и жилых зданий.

Формула бетона постоянно усовершенствуется для усиления его физических и эксплуатационных характеристик:

• прочности,
• морозостойкости,
• водонепроницаемости.

Интересно, что большое влияние на усиление прочности бетона оказало открытие не химического, а чисто физического свойства – бетонную смесь после формования вибрируют специальными приборами, чтобы уменьшить расслоения и добавить плотности массе.

У бетона есть еще ряд характеристик второго плана, по крайней мере, для российского массового рынка. Это эстетические, дизайнерские и экологические параметры, над которыми тоже работают мировые лаборатории по изучению бетона.

Вообще бетон тем и интересен, что его комбинации и вариации очень разнообразны и каждая решает определенную задачу. В какой момент бетон перестает быть бетоном? Тут такое хитрое определение – «искусственный каменный строительный материал, получаемый в результате формования и затвердевания рационально подобранной вяжущей смеси (например, цемента), крупных или мелких заполнителей и воды», - что сразу становится понятно, какое бесчисленное множество формул можно сгенерировать. Общее здесь только одно: бетон – камень, полученный в результате формования и затвердевания вяжущей смеси.

Множество простых множителей

Начинаем раскладывать на составляющие: цемент, крупные или мелкие заполнители, вода, добавки - и каждый исходный компонент имеет заменители, как со схожими, так и с различными характеристиками. Пропорции колеблются, но в целом, рекомендуемые показатели для стандартного бетона примерно такие: 0,5:1:3:5 (В:Ц:Д:З). Здесь укажем примерные процентные соотношения, чтобы показать вариативность бетонного состава.

(6-10%) Цемент – всевозможные извести в сочетании со всевозможными оксидами (кремния, алюминия, железа), которые дают клинкерные гранулы. Их измельчают, добавляют гипс (могут заменить на трехкальциевый алюминат) и силикаты – алит (трехкальциевый силикат) и белит (двухкальциевый силикат). Алита больше всего в портландцементе.

Картинка взята cement.org.

Правило: Марка цемента должна в два-три раза превышать марку бетона.

(65-80%) Крупные или мелкие заполнители

Начинаем сыпать: мел, ракушечник, известняк, туф, песок, зола, щебень, гравий, доменные и топливные шлаки, мрамор, стекло, гипс и прочие на любой вкус, можно сразу смесь из нескольких. Заполнители составляют основную массу смеси, отвечают за упругость, теплопроводность и долговечность бетона, а также за правильную усадку и однородность.

Правило: Заполнитель должен быть чистым. Даже небольшое количество глинистых примесей, например, в песке может испортить все дело.  

(15-30%) Добавки

Могут быть природными и искусственными.

В некоторых цементных смесях уже есть добавки, поэтому в таких случаях говорят о трех компонентах, например, при использовании портландцемента – добавки не всегда необходимы. Хотя многие подтверждают, что при высокой влажности одним портландцементом не обойтись, нужен гидроизолят.

Пластификаторы и суперпластификаторы позволяют:

- уменьшить расход воды, сохраняя свойства эластичности и упругости массы.

- увеличить общую прочность бетона на 20-25%.

- уменьшить расход цемента (и вследствие уменьшить стоимость бетона в целом)

- увеличение скорости приготовления бетона.

Правило: На все суперпластификаторы хорошо бы иметь еще одну добавку – ускоритель затвердения.

Для разных задач понадобятся добавки, которые увеличивают:

- морозостойкость (формиат кальция, формиат натрия, поташ). Некоторые добавки позволяют вести при -15 градусах),

- гидроизоляционность (например, Пенетрон)

Здесь же напишем о классе бетона с точки зрения упомянутых характеристик:

• прочность от М50 до М1000
• морозостойкость от F50 до F500
• водонепроницаемость W2, W4, W6, W8, W12

Соответственно, чем выше класс, тем выше показатели требуемых свойств.

К добавкам относится также пигмент.

Примеры цветного бетона отсюда

(3-5%) Вода

Вода обеспечивает связь всех элементов и вступает в реакцию с цементом и добавками. Как слишком большое, так и слишком малое количество воды в пропорции может отрицательно повлиять на прочность цемента, поэтому нужно смотреть по таблице водопотребности.

Еще важную роль играет вода в ситуации, когда бетонные работы проводятся при отрицательной температуре. Подогрев цемента запрещается, а вот воду можно нагреть (до 60-90 градусов Цельсия).

Не для каждого вида бетона требуется вода, есть исключения, например, асфальтобетон.  

Правило: При расходе цемента свыше 400 кг расход воды увеличивают на 1 кг на каждые 10 кг цемента сверх 400 кг.

Наглядный пример количественного соотношения компонентов для бетона марки М-350 и М-200:

Основные мировые проблемы

• Трудности при транспортировке

Конечно, данная проблема актуальна для больших строек, чтобы залить фундамент для дачи, нет необходимости везти готовую смесь, ее производят на месте.

Если нужно много бетона, то здесь как раз и возникают сложности с транспортировкой. Готовый бетон схватывается в среднем около 50 минут, поэтому для перевозки обычно используют бетономешалки – миксеры, в них можно перевозить и 2-3 часа. Все зависит от марки бетона и температуры во время транспортировки. В зависимости от класса бетона берут самосвалами или бетоновозами, плюс на объекте может потребоваться еще дополнительная техника для выгрузки непосредственно в область бетонирования: краны, бетононасосы, пневмонагнетатели и прочее. И опять же на это нужно заложить дополнительное время.

Если один завод не может обеспечить большую поставку готового бетона, то задействуют сразу несколько, как это было, например, при строительстве Лахта-Центра.

Бетон при неправильной транспортировке может «отсечься» - более тяжелые частицы осядут, а более легкие, так называемое «цементное молоко», останутся на поверхности.

Покупка и аренда спецтехники для работы с бетоном – значительная статья в смете.

Чтобы решить проблему транспортировки, к ней подходят с разных сторон: производители пластификаторов и добавок изобретают замедлители, чтобы смесь не так быстро схватывалась, а производители спецтехники разрабатывают суперлегкие и прочные машины, с различными прицепами, дополнительными автонасосами и прочими гаджетами, чтобы КПД от каждой единицы был выше.

• Стоимость компонентов

«По данным колумбийского университета» на каждого мечтателя приходится как минимум по одному бизнесмену, поэтому основные манипуляции с формулой бетона должны привести к его максимальному удешевлению.

Пожалуй, единственное, где в составе бетона можно выбрать подешевле и не прогадать – это вода, да и то не всегда. Основная проблема в том, что бетон – это все-таки относительно дешевый материал. Относительно. Эксплуатационные, эстетические и экологические характеристики должны быть на уровне, если не римского Пантеона, то в соответствии современным стандартам качества, и тут ценник прямо пропорционально растет, а не падает. Дешевый бетон – и сразу возникают вопросы: не контрафактный ли цемент, достаточно ли чистый заполнитель, присутствует ли правильная добавка и так далее.

Как правило, самая дорогая составляющая – это цемент. Его доля может быть уменьшена за счет изобретения более универсальных и недорогих добавок, а также открытия новых заполнителей.

• Экологичность

Помимо усовершенствования бетона, ученые активно изучают проблему его экологичности, чтобы сократить углеродный выброс (а это 7-8% от мирового), известняк заменяют на глины, вторсырье, зольную пыль. Швейцарские ученые создали специальную молекулярную компьютерную модель, которая позволяет отслеживать изменения в ходе будущей эксплуатации бетона еще на этапе создания формулы (смеси).

В качестве заключения. Про мечту

Просто много бетона – это неинтересно, нужен романтизм, бетон-мечта.

Назло всем, кто твердит про бетонные джунгли и серую посредственность бетона, появляется прозрачный бетон, светопроводящий бетон, суперлегкий бетон, гибкий бетон. А что уже делали с бетоном, например, Заха Хадид или Сантьяго Калатрава – это ведь фантастическая красота.

Центр Гейдара Алиева. Архитектор Заха Хадид. Фото из блога

Концертный зал на Канарских островах. Архитектор Сантьяго Калатрава, Фото взято здесь

Да, невозможно не упомянуть, что в проекте еще лунный бетон… 

С интересом следим за новостями.