Бето́н (от фр. béton) — искусственный каменный строительный материал, получаемый в результате формования и затвердевания рационально подобранной и уплотнённой смеси, состоящей из вяжущего вещества (например, цемент), крупных и мелких заполнителей, воды. В ряде случаев может иметь в составе специальные добавки, а также не содержать воды (например, асфальтобетон).

История

Бетон известен более 4000 лет (Древняя Месопотамия), особенно широко использовался в Древнем Риме^[1]. 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 упадка 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 раннее Средневековье единственными крупными архитектурными объектами были соборы, которые возводились из камня.

Современный бетон на цементном вяжущем веществе известен с 1844 года (И. Джонсон). Патент на портландцемент получил в 1824 году Джозеф Аспдин; патент на «римский цемент» получил в 1796 году Джеймс Паркер.

Мировыми лидерами в производстве бетона являются Китай (430 млн м³ в 2006 г.)^[2] и США (345 млн м³ в 2005 г.^[3] и 270 млн м³ в 2008 г.)^[2] В России в 2008 г. было произведено 52 млн м³.

Изготовление

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.

Распространенной 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^[4].

Виды бетона

Согласно ГОСТ 25192-2012, ГОСТ 7473-2010 (ранее 7473-94) классификация бетонов производится по основному назначению, виду вяжущего вещества, виду заполнителей, структуре и условиям твердения:

• По назначению различают бетоны обычные (для промышленных и гражданских зданий) и 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, силикатные, гипсовые, шлакощелочные, асфальтобетон, пластобетон (полимербетон) и др.
• По виду заполнителей различают бетоны на плотных, пористых или специальных заполнителях.
• По структуре различают бетоны плотной, поризованной, ячеистой или крупнопористой структуры.
• По условиям твердения бетоны подразделяют на твердевшие в естественных условиях; в условиях тепловлажностной обработки при атмосферном давлении; в условиях тепловлажностной обработки при давлении выше атмосферного (автоклавного твердения).

Дополнительно к классификации ГОСТ 25192-2012 используется следующая классификация.

• По объёмной массе бетоны подразделяют на:

• особо тяжёлый (плотность свыше 2500 кг/м³) — баритовый, магнетитовый, лимонитовый;
• тяжёлый (плотность 2200—2500 кг/м³);
• облегченные (плотность 1800—2200 кг/м³);
• легкий (плотность 500—1800 кг/м³) — керамзитобетон, пенобетон, газобетон, пемзобетон, арболит, вермикулитовый, перлитовый;
• особо лёгкий (плотность менее 500 кг/м³).

• По содержанию вяжущего вещества и заполнителей бетоны подразделяют на:

• тощие (с пониженным содержанием вяжущего вещества и повышенным содержанием крупного заполнителя);
• жирные (с повышенным содержанием вяжущего вещества и пониженным содержанием крупного заполнителя);
• товарные (c соотношением заполнителей и вяжущего вещества по стандартной рецептуре).

Подбор состава бетона

Одной из важнейших составляющих бетонной смеси является песок. Для приготовления бетона можно использовать практически любой природный песок. 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 учетом и не заштрихованной области, но только для бетонов марки 150 и ниже^[5].

Укладка, уплотнение, затвердевание

Сырой бетон после приготовления и укладки должен быть как можно быстрее уплотнён. 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.

Эксплуатационные свойства

Прочность на сжатие

Основной показатель, которым характеризуется бетон — прочность на сжатие. По ней устанавливается класс бетона.

Класс бетона В  — это кубиковая 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 (150×150×150 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 расчетах, 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 задается марками, обозначаемыми латинской буквой «М» и цифрами от 50 до 1000, означающими предел прочности на сжатие в кг/см². ГОСТ 26633-91 «Бетоны тяжёлые и мелкозернистые. Технические условия» устанавливает следующее соответствие между марками и классами при коэффициенте вариации прочности бетона 13,5 %:

Для проверки прочности незатвердевшей смеси используются камеры нормального твердения, проверка прочности готовой конструкции осуществляется с помощью молотков Кашкарова, Физделя или Шмидта.

Удобоукладываемость

Согласно ГОСТ 7473-2010 «Смеси бетонные. Технические условия», по удобоукладываемости (обозначается буквой «П») различают бетоны:

• сверхжёсткие (жёсткость более 50 секунд);
• жёсткие (жёсткость от 5 до 50 секунд);
• подвижные (жёсткость менее 4 секунд, подразделяются по осадке конуса).

ГОСТ устанавливает следующие обозначения бетонных смесей по удобоукладываемости:

Показатель удобоукладываемости имеет решающее значение при бетонировании с помощью бетононасоса. Для прокачки насосом используют смеси с показателем не ниже П4.

Другие важные показатели

• Прочность на изгиб.
• Морозостойкость — обозначается латинской буквой «F» и цифрами 50-1000, означающими количество циклов замерзания-оттаивания, которые способен выдержать бетон.
• Водонепроницаемость — обозначается латинской буквой «W» и цифрами от 2 до 20, обозначающими давление воды, которое должен выдержать образец-цилиндр данной марки.

Для испытаний бетона на морозостойкость и водонепроницаемость используются испытательные климатические камеры.

Обозначение бетонной смеси

Согласно ГОСТ 7473-2010 «Смеси бетонные. Технические условия», обозначение бетонной смеси должно содержать:

• степень готовности;
• класс по прочности;
• марки по удобоукладываемости, морозостойкости, водонепроницаемости, средней плотности (для лёгкого бетона);
• обозначение стандарта.

Например, готовая к применению бетонная смесь тяжёлого бетона класса по прочности на сжатие В25, марки по удобоукладываемости П3, морозостойкости F200 и водонепроницаемости W6 должна обозначаться как БСТ В25 П3 F200 W6 ГОСТ 7473-2010.
В коммерческой практике принято также выделять в отдельную категорию высокопрочные спецбетоны ВС и бетоны с применением щебня мелкой фракции СМ (т. н. «семечка»).

Защита бетона

Гидроизоляционную защиту бетона подразделяют на первичную и вторичную. К первичной относят мероприятия, обеспечивающие непроницаемость конструкционного материала сооружения. Ко вторичной — дополнительное покрытие поверхностей конструкций гидроизоляционными материалами (мембранами) со стороны непосредственного воздействия агрессивной среды^[6].

Меры первичной защиты предполагают использование материалов, имеющих повышенную коррозионную стойкость в агрессивной среде, а также обеспечивающих низкую проницаемость бетона. К мерам первичной защиты относятся также вопросы выбора рациональных геометрических очертаний и форм конструкций, назначение категорий трещиностойкости и предельно допустимой ширине раскрытия трещин, рассмотрение сочетания нагрузок и определение непродолжительного раскрытия трещин, назначение толщины защитного слоя бетона с учетом его непроницаемости. Также к первичной защите можно отнести применение интегральных капиллярных материалов — гидроизоляция строительными смесями проникающего действия. При этом уплотняется структура бетона и происходит увеличение водонепроницаемости, морозостойкости, прочности на сжатие и коррозионной стойкости на весь срок службы.

Задача вторичной защиты — не допустить или ограничить возможность контакта агрессивной среды и бетона. В качестве вторичной защиты используют обеспыливающие пропитки, тонкослойные покрытия, наливные полы и высоконаполненные покрытия. Чаще всего в качестве связующего материала при производстве полимерных составов применяются эпоксидные, полиуретановые и полиэфирные компоненты. Механизм защиты бетонного основания заключается в уплотнении поверхностного слоя и изоляции поверхности.

Прогрев бетона зимой

Существенный недостаток бетона выявляется в зимнее время, когда из-за низких температур прочность бетонных зданий находится под угрозой. По этой причине есть потребность в принудительном прогреве бетона.

Основные и дополнительные способы прогрева бетона^[7]. Среди них различают:

• Прогрев проводом. Доступный метод, который обеспечивает отличный прогрев помещения.
• Прогрев электродами. Обеспечивает быстрое нагревание в силу распространения сети электродов.

• пластинчатые электроды. Они соединяются с бетонным раствором изнутри — крепятся на опалубку. Передают тепло непосредственно бетону.
• полосовые электроды. Крепятся с обеих сторон.
• струнные электроды. Чаще используются в колоннах и крепятся в центральной части.
• стержневые электроды. Применяются там, где невозможно использование других электродов.

• Станция прогрева бетона. Используется в тех случаях, когда бетон планируется прогревать проводом. Мощность станции напрямую влияет на уровень прогрева бетона. Управляется вручную или автоматически.
• Греющая опалубка. Считается более выгодным и долгосрочным решением для обогрева бетона, чем прогрев при помощи проводов.
• Индукционный метод. При таком выборе важно строго рассчитать количество витков и соотнести их с объёмом металла конструкции.
• Инфракрасный метод. Эффективный и простой способ прогрева, но достаточно дорогостоящий.
• Бетонирование в тепляках и термоматы. Трудоемкий и дорогой метод, который не подходит для больших помещений с колоннами.

См. также

Примечания