Конкретный - Concrete

Внешний вид римского Пантеона , построенного в 128 г. н.э., является крупнейшим неармированным бетонным куполом в мире.
Интерьер купола Пантеона, вид снизу. Бетон для кессонного купола укладывался на формы, смонтированные на временных лесах.
Opus caementicium в характерной римской арке. В отличие от современных бетонных конструкций, бетон, используемый в римских зданиях, обычно был облицован кирпичом или камнем.

Бетон - это композитный материал, состоящий из мелкого и крупного заполнителя, связанных вместе с жидким цементом (цементной пастой), который со временем затвердевает (затвердевает). Бетон считается вторым по популярности веществом в мире после воды и одним из наиболее часто используемых строительных материалов. Его использование во всем мире, тонна на тонну, в два раза больше, чем у стали, дерева, пластика и алюминия вместе взятых. В глобальном масштабе производство товарного бетона, крупнейшего сегмента рынка бетона, по прогнозам, к 2025 году превысит 600 миллиардов долларов дохода. Такое широкое использование приводит к ряду воздействий на окружающую среду . В частности, процесс производства цемента приводит к большим объемам выбросов парниковых газов , что приводит к чистым 8% глобальных выбросов. Другие экологические проблемы включают широко распространенную незаконную добычу песка , воздействие на окружающую среду, такое как повышенный поверхностный сток или эффект городского теплового острова , а также потенциальные последствия для здоровья населения от токсичных ингредиентов. Проводятся значительные исследования и разработки, чтобы попытаться сократить выбросы или сделать бетон источником связывания углерода , а также увеличить содержание вторичного и вторичного сырья в смеси для достижения экономики замкнутого цикла. Ожидается, что бетон станет ключевым материалом для конструкций, устойчивых к климатическим бедствиям, а также решением для смягчения загрязнения в других отраслях промышленности, улавливая отходы, такие как угольная зола или бокситовые хвосты и остатки .

Когда заполнитель смешивается с сухим портландцементом и водой , смесь образует жидкую суспензию, которую легко налить и придать форму. Цемент вступает в реакцию с водой и другими ингредиентами, образуя твердую матрицу, которая связывает материалы вместе в прочный камнеобразный материал, который имеет множество применений. Часто в смесь включают добавки (такие как пуццоланы или суперпластификаторы ) для улучшения физических свойств влажной смеси или готового материала. Большая часть бетона заливается армирующими материалами (такими как арматура ), заделанными для обеспечения прочности на растяжение , в результате чего получается железобетон .

В прошлом цементные связующие на основе извести , такие как известковая замазка, часто использовались, но иногда с другими гидравлическими цементами (водостойкими), такими как алюминатный цемент или портландцемент для образования портландцементного бетона (названного из-за его визуального сходства с Портлендский камень ). Существуют многие другие нецементные типы бетона с другими методами связывания заполнителя, включая асфальтобетон с битумным вяжущим, который часто используется для дорожных покрытий , и полимерные бетоны , в которых в качестве связующего используются полимеры. Бетон отличается от раствора . В то время как бетон сам по себе является строительным материалом, раствор - это связующее, которое обычно скрепляет кирпичи , плитку и другие элементы кладки.

Этимология

Слово «конкретный» происходит от латинского слова « concretus » (что означает компактный или сжатый), совершенного пассивного причастия « concrescere », от « con -» (вместе) и « crescere » (расти).

История

Древние времена

Бетон майя на руинах Ушмаля упоминается в «Путешествиях по Юкатану » Джона Л. Стивенса . «Крыша плоская, залита цементом». «Полы были цементные, местами твердые, но из-за длительного воздействия сломались и теперь крошатся под ногами». «Но вся стена была прочной и состояла из больших камней, утопленных в известковом растворе, почти такой же твердой, как скала».

Мелкомасштабное производство материалов, подобных бетону, было впервые предложено набатейскими торговцами, которые оккупировали и контролировали ряд оазисов и создали небольшую империю в регионах южной Сирии и северной Иордании с 4 века до нашей эры. К 700 г. до н.э. они открыли преимущества гидравлической извести , обладающей некоторыми свойствами самофиксации. Они построили печи для приготовления раствора для строительства домов из кирпичной кладки , бетонных полов и подземных водонепроницаемых цистерн . Они держали цистерны в секрете, поскольку они позволяли набатейцам процветать в пустыне. Некоторые из этих построек сохранились до наших дней.

Классическая эпоха

В древнеегипетскую и более позднюю римскую эпоху строители обнаружили, что добавление вулканического пепла в смесь позволяло ей затвердеть под водой.

Бетонные полы были найдены в королевском дворце Тиринфа в Греции, который датируется примерно 1400–1200 годами до нашей эры. Известковые растворы использовались в Греции, на Крите и на Кипре в 800 г. до н.э. В ассирийском акведуке Джерван (688 г. до н.э.) использовался водостойкий бетон . Бетон использовался для строительства многих старинных построек.

Римляне широко использовали бетон с 300 г. до н.э. до 476 г. н.э. Во времена Римской империи римский бетон (или opus caementicium ) изготавливали из негашеной извести , пуццоланы и агрегата пемзы . Его широкое использование во многих римских постройках , ключевое событие в истории архитектуры, названное римской архитектурной революцией , освободило римское строительство от ограничений каменных и кирпичных материалов. Это позволило создать революционные новые конструкции с точки зрения как структурной сложности, так и размеров. Колизей в Риме был построен в основном из бетона и бетона купол Пантеона является самым крупным в мире неармированные бетонный купол.

Бетон, как его знали римляне, был новым и революционным материалом. Построенный в форме арок , сводов и куполов , он быстро превратился в твердую массу, свободную от многих внутренних толчков и напряжений, которые беспокоили строителей подобных сооружений из камня или кирпича.

Современные испытания показывают, что opus caementicium имеет такую ​​же прочность на сжатие, как и современный портландцементный бетон (около 200 кг / см 2  [20 МПа; 2800 фунтов на кв. Дюйм]). Однако из-за отсутствия арматуры его прочность на растяжение была намного ниже, чем у современного железобетона , и способ его применения также отличался:

Современный конструкционный бетон отличается от римского бетона двумя важными деталями. Во-первых, консистенция смеси является текучей и однородной, что позволяет разливать ее в формы, а не требует ручного наслаивания вместе с укладкой заполнителя, который в римской практике часто состоял из щебня . Во-вторых, интегральная арматурная сталь придает современным бетонным узлам большую прочность на растяжение, тогда как римский бетон мог зависеть только от прочности сцепления бетона, чтобы противостоять растяжению.

Было обнаружено, что долговечность римских бетонных конструкций связана с использованием пирокластических (вулканических) пород и пепла, в результате чего кристаллизация стратлингита (особого и сложного гидрата алюмосиликата кальция) и слияние этого и подобных кальций– Алюминиево-силикатно-гидратные цементирующие вяжущие помогли придать бетону большую степень сопротивления разрушению даже в сейсмически активных средах. Римский бетон значительно более устойчив к эрозии морской водой, чем современный бетон; в нем использовались пирокластические материалы, которые реагируют с морской водой с образованием кристаллов альтоберморита с течением времени.

Благодаря широкому использованию бетона во многих римских постройках многие из них сохранились до наших дней. В термы Каракаллы в Риме только один пример. Многие римские акведуки и мосты, такие как великолепный Пон-дю-Гар на юге Франции, имеют каменную кладку на бетонном ядре, как и купол Пантеона .

После распада Римской империи использование бетона стало редкостью, пока технология не была переработана в середине 18 века. Во всем мире бетон по тоннажу используемого материала обогнал сталь.

Средний возраст

После Римской империи использование обожженной извести и пуццолана значительно сократилось. Низкие температуры обжига извести, отсутствие пуццолана и плохое перемешивание способствовали снижению качества бетона и раствора. С 11 века более широкое использование камня в строительстве церквей и замков привело к увеличению спроса на раствор. Качество стало улучшаться в 12 веке за счет улучшения измельчения и просеивания. Средневековые известковые растворы и бетоны были негидравлическими и использовались для связывания кладки, "сердечника" (связывания ядер кладки из щебня ) и фундаментов. Варфоломей Англиканский в своем De proprietatibus rerum (1240 г.) описывает изготовление раствора. В английском переводе 1397 года это звучит так: «Лайм ... это каменная смола; путем смешивания ее с зондом и водным цементом получают». С 14 века качество строительного раствора снова было отличным, но только с 17 века пуццолана была широко добавлена.

Канал дю Миди был построен с использованием бетона в 1670 году.

Индустриальная эпоха

Башня Смитона

Возможно, самым большим шагом вперед в современном использовании бетона была башня Смитона , построенная британским инженером Джоном Смитоном в Девоне, Англия, между 1756 и 1759 годами. Этот третий маяк Эддистоуна впервые применил гидравлическую известь в бетоне с использованием гальки и порошкового кирпича в качестве совокупный.

Метод производства портландцемента был разработан в Англии и запатентован Джозефом Аспдином в 1824 году. Аспдин выбрал название из-за его сходства с портландским камнем , который добывался на острове Портленд в Дорсете , Англия. Его сын Уильям продолжил разработки до 1840-х годов, что принесло ему признание за разработку «современного» портландцемента.

Железобетон был изобретен в 1849 году Джозефом Монье . а первый железобетонный дом был построен Франсуа Куанье в 1853 году. Первый железобетонный мост был спроектирован и построен Жозефом Монье в 1875 году.

Состав

Бетон - это искусственный композитный материал, содержащий матрицу из цементирующего вяжущего (обычно паста из портландцемента или асфальт ) и дисперсную фазу или «наполнитель» заполнителя (обычно скальный материал, рыхлые камни и песок). Связующее «склеивает» наполнитель, образуя синтетический конгломерат. Доступны многие типы бетона , определяемые составом вяжущих и типами заполнителя, которые подходят для применения разработанного материала. Эти переменные определяют прочность и плотность, а также химическую и термическую стойкость готового продукта.

Заполнители состоят из больших кусков материала в бетонной смеси, как правило, из крупного гравия или дробленых пород, таких как известняк или гранит , а также из более мелких материалов, таких как песок .

Цементная паста, чаще всего изготавливаемая из портландцемента, является наиболее распространенным вяжущим для бетона. Для цементирующих вяжущих вода смешивается с сухим цементным порошком и заполнителем, в результате чего образуется полужидкая суспензия (паста), которой можно придать форму, обычно путем заливки ее в форму. Бетон затвердевает и затвердевает в результате химического процесса, называемого гидратацией . Вода вступает в реакцию с цементом, который связывает другие компоненты вместе, образуя прочный камнеобразный материал. Иногда добавляют другие вяжущие материалы, такие как зола-унос и шлаковый цемент - либо предварительно смешанные с цементом, либо непосредственно в качестве бетонного компонента, - и они становятся частью связующего для заполнителя. Летучая зола и шлак могут улучшить некоторые свойства бетона, такие как свежесть и долговечность. В качестве альтернативы в качестве связующего для бетона можно использовать и другие материалы: наиболее распространенным заменителем является асфальт , который используется в качестве связующего в асфальтобетоне .

Добавки добавляются для изменения скорости отверждения или свойств материала. Минеральные добавки используют переработанные материалы в качестве ингредиентов бетона. Среди заметных материалов - летучая зола , побочный продукт угольных электростанций ; измельченный гранулированный доменный шлак , побочный продукт сталеплавильного производства ; и микрокремнезем , побочный продукт промышленных электродуговых печей .

Конструкции из портландцементного бетона обычно включают стальную арматуру, потому что этот тип бетона может иметь высокую прочность на сжатие , но всегда имеет более низкую прочность на разрыв . Поэтому его обычно армируют прочными на растяжение материалами, как правило, стальной арматурой .

Дизайн смеси зависит от типа возводимой конструкции, от того, как бетон смешивается и доставляется, а также от того, как он укладывается для формирования конструкции.

Цемент

Несколько тонн цемента в мешках, около двух минут на выходе из цементной печи мощностью 10000 тонн в сутки.

Портландцемент - самый распространенный тип цемента общего пользования. Это основной ингредиент бетона, раствора и многих штукатурок . Британский каменщик Джозеф Аспдин запатентовал портландцемент в 1824 году. Он был назван из-за сходства цвета с портлендским известняком , добываемым на английском острове Портленд и широко используемым в лондонской архитектуре. Он состоит из смеси силикатов кальция ( алит , белит ), алюминатов и ферритов - соединений, которые объединяют кальций, кремний, алюминий и железо в формах, которые будут реагировать с водой. Портландцемент и аналогичные материалы получают путем нагревания известняка (источника кальция) с глиной или сланцем (источник кремния, алюминия и железа) и измельчения этого продукта (называемого клинкером ) с источником сульфата (чаще всего гипсом ).

В современных цементных печах используется множество передовых функций для снижения расхода топлива на тонну производимого клинкера. Цементные печи - это чрезвычайно большие, сложные и по своей природе пыльные промышленные установки, выбросы которых необходимо контролировать. Из различных ингредиентов, используемых для производства определенного количества бетона, цемент является наиболее энергетически дорогим. Даже сложные и эффективные печи требуют от 3,3 до 3,6 гигаджоулей энергии для производства тонны клинкера, а затем измельчения его в цемент . Многие печи можно заправлять трудно утилизируемыми отходами, наиболее распространенными из которых являются старые шины. Чрезвычайно высокие температуры и длительные периоды времени при этих температурах позволяют цементным печам эффективно и полностью сжигать даже трудные в использовании виды топлива.

Воды

При смешивании воды с вяжущим материалом в процессе гидратации образуется цементное тесто. Цементная паста склеивает заполнитель, заполняет пустоты внутри и делает его более свободным.

Согласно закону Абрамса , более низкое соотношение воды и цемента дает более прочный и долговечный бетон, тогда как большее количество воды дает более текучий бетон с более высокой осадкой . Загрязненная вода, используемая для изготовления бетона, может вызвать проблемы при схватывании или преждевременном разрушении конструкции.

Портландцемент состоит из пяти основных соединений силикатов и алюминатов кальция в диапазоне от 5 до 50% по весу, которые все подвергаются гидратации, что способствует прочности конечного материала. Таким образом, гидратация цемента включает множество реакций, часто протекающих одновременно. По мере протекания реакций продукты процесса гидратации цемента постепенно связывают отдельные частицы песка и гравия и другие компоненты бетона с образованием твердой массы.

Гидратация трикальцийсиликата

Обозначение химика цемента : C 3 S + H → CSH + CH + тепло
Стандартные обозначения: Ca 3 SiO 5 + H 2 O → (CaO) · (SiO 2 ) · (H 2 O) (гель) + Ca (OH) 2.
Сбалансированный: 2Ca 3 SiO 5 + 7H 2 O → 3 (CaO) · 2 (SiO 2 ) · 4 (H 2 O) (гель) + 3Ca (OH) 2 (приблизительно; точное соотношение CaO, SiO 2 и H 2 O в CSH может варьироваться)

Из-за природы химических связей, образующихся в этих реакциях, и конечных характеристик образующихся частиц, процесс гидратации цемента считается необратимым, что делает методы вторичной переработки цемента недопустимыми.

Агрегаты

Заполнитель щебня

Основу бетонной смеси составляют мелкие и крупные заполнители. В основном для этого используют песок , природный гравий и щебень . Переработанные заполнители (отходы строительства, сноса и земляных работ) все чаще используются в качестве частичной замены природных заполнителей, в то время как ряд промышленных заполнителей, включая доменный шлак с воздушным охлаждением и зольный остаток , также разрешен.

Гранулометрический состав заполнителя определяет необходимое количество связующего. Заполнитель с очень равномерным распределением по размерам имеет самые большие промежутки, тогда как добавление заполнителя с более мелкими частицами имеет тенденцию заполнять эти промежутки. Связующее должно заполнять зазоры между заполнителем, а также склеивать поверхности заполнителя вместе и обычно является самым дорогим компонентом. Таким образом, изменение размеров заполнителя снижает стоимость бетона. Заполнитель почти всегда прочнее связующего, поэтому его использование не влияет отрицательно на прочность бетона.

Перераспределение агрегатов после уплотнения часто создает неоднородность из-за влияния вибрации. Это может привести к градиентам прочности.

Декоративные камни, такие как кварцит , мелкие речные камни или битое стекло, иногда добавляют на поверхность бетона для декоративной отделки «необработанным заполнителем», популярной среди ландшафтных дизайнеров.

Примеси

Добавки - это материалы в виде порошка или жидкостей, которые добавляются к бетону для придания ему определенных характеристик, недостижимых с обычными бетонными смесями. Добавки определяются как добавки, «вносимые при приготовлении бетонной смеси». Самые распространенные добавки - замедлители схватывания и ускорители. При нормальном использовании дозировка добавки составляет менее 5% от массы цемента и добавляется в бетон во время дозирования / смешивания. (См. § Производство ниже.) Распространены следующие типы добавок:

  • Ускорители ускоряют гидратацию (твердение) бетона. Типичные материалы , используемые хлорид кальция , нитрат кальция и нитрат натрия . Однако использование хлоридов может вызвать коррозию стальной арматуры и запрещено в некоторых странах, поэтому нитраты могут быть предпочтительнее, даже если они менее эффективны, чем хлоридная соль. Ускоряющие добавки особенно полезны для изменения свойств бетона в холодную погоду.
  • Воздухововлекающие агенты добавляют и уносят крошечные пузырьки воздуха в бетон, что уменьшает повреждения во время циклов замораживания-оттаивания , увеличивая долговечность . Однако увлеченный воздух требует компромисса с прочностью, поскольку каждый 1% воздуха может снизить прочность на сжатие на 5%. Если в результате процесса перемешивания в бетоне остается слишком много воздуха, можно использовать пеногасители , чтобы стимулировать агломерацию пузырьков воздуха, их подъем на поверхность влажного бетона и затем диспергирование.
  • Связующие агенты используются для создания связи между старым и новым бетоном (обычно это тип полимера) с широким температурным допуском и устойчивостью к коррозии.
  • Ингибиторы коррозии используются для минимизации коррозии стали и стальных стержней в бетоне.
  • Кристаллические добавки обычно добавляют во время замеса бетона для снижения проницаемости. Реакция происходит при воздействии воды и негидратированных частиц цемента с образованием нерастворимых игольчатых кристаллов, которые заполняют капиллярные поры и микротрещины в бетоне, блокируя пути для воды и водных загрязнений. Бетон с кристаллической примесью может ожидать самоуплотнения, поскольку постоянное воздействие воды будет постоянно инициировать кристаллизацию, чтобы обеспечить постоянную водонепроницаемую защиту.
  • Пигменты можно использовать для изменения цвета бетона, для эстетики.
  • Пластификаторы увеличивают удобоукладываемость пластика, или «свежего» бетона, что позволяет его легче укладывать с меньшими усилиями уплотнения. Типичный пластификатор - лигносульфонат. Пластификаторы могут использоваться для снижения содержания воды в бетоне при сохранении удобоукладываемости, и из-за этого их иногда называют водоредукторами. Такая обработка улучшает его прочностные и долговечные характеристики.
  • Суперпластификаторы (также называемые высокодисперсными водоредукторами) представляют собой класс пластификаторов, которые имеют меньше вредных воздействий и могут использоваться для повышения удобоукладываемости в большей степени, чем это практично с традиционными пластификаторами. Суперпластификаторы используются для увеличения прочности на сжатие. Это увеличивает удобоукладываемость бетона и снижает потребность в содержании воды на 15–30%. Суперпластификаторы приводят к замедляющим эффектам.
  • Вспомогательные средства для перекачивания улучшают прокачиваемость, сгущают пасту и уменьшают расслоение и кровотечение.
  • Замедлители схватывания замедляют гидратацию бетона и используются в больших или сложных случаях, когда частичное схватывание до завершения заливки нежелательно. Типичными замедлителями схватывания полиолов являются сахар , сахароза , глюконат натрия , глюкоза , лимонная кислота и винная кислота .

Минеральные добавки и цементные смеси

Компоненты цемента:
сравнение химических и физических характеристик
Имущество Портланд
цемент
Кремнистая
летучая зола
Известковая
летучая зола

Цемент шлаковый
Silica
дыма
Массовая доля (%)
SiO 2 21,9 52 35 год 35 год 85–97
Al 2 O 3 6.9 23 18 12 -
Fe 2 O 3 3 11 6 1 -
CaO 63 5 21 год 40 <1
MgO 2,5 - - - -
SO 3 1,7 - - - -
Удельная поверхность (м 2 / кг) 370 420 420 400 15
000–30 000
Удельный вес 3,15 2.38 2,65 2,94 2,22
Общее назначение Первичное связующее Замена цемента Замена цемента Замена цемента Усилитель собственности

Неорганические материалы, обладающие пуццолановыми или скрытыми гидравлическими свойствами, эти очень мелкозернистые материалы добавляются в бетонную смесь для улучшения свойств бетона (минеральные добавки) или в качестве замены портландцемента (смешанные цементы). Испытываются и используются продукты, содержащие в смеси известняк, летучую золу, доменный шлак и другие полезные материалы с пуццолановыми свойствами. Эти разработки становятся все более актуальными для минимизации воздействия, вызываемого использованием цемента, известного тем, что он является одним из крупнейших производителей (примерно от 5 до 10%) глобальных выбросов парниковых газов. Использование альтернативных материалов также способно снизить затраты, улучшить свойства бетона и переработать отходы, последнее из которых имеет отношение к аспектам циркулярной экономики в строительной отрасли, спрос на которую постоянно растет, что оказывает большее влияние на добычу сырья, образование отходов и захоронение отходов. практики.

  • Летучая зола : побочный продукт угольных электростанций , он используется для частичной замены портландцемента (до 60% по массе). Свойства летучей золы зависят от типа сжигаемого угля. В общем, кремнистая зола-унос является пуццолановой, а известковая летучая зола имеет скрытые гидравлические свойства.
  • Измельченный гранулированный доменный шлак (GGBFS или GGBS): побочный продукт производства стали используется для частичной замены портландцемента (до 80% по массе). Обладает скрытыми гидравлическими свойствами.
  • Пары кремнезема : побочный продукт производства кремния и ферросилициевых сплавов. Пары кремнезема похожи на летучую золу, но имеют размер частиц в 100 раз меньше. Это приводит к более высокому отношению поверхности к объему и гораздо более быстрой пуццолановой реакции. Пары кремнезема используются для увеличения прочности и долговечности бетона, но, как правило, для повышения удобоукладываемости требуется использование суперпластификаторов.
  • Метакаолин с высокой реакционной способностью (HRM): Метакаолин производит бетон, прочность и долговечность которого аналогична бетону, изготовленному с использованием микрокремнезема. В то время как микрокремнезем обычно имеет темно-серый или черный цвет, метакаолин с высокой реакционной способностью обычно имеет ярко-белый цвет, что делает его предпочтительным выбором для архитектурного бетона, где важен внешний вид.
  • Углеродные нановолокна могут быть добавлены в бетон для повышения прочности на сжатие и получения более высокого модуля Юнга , а также для улучшения электрических свойств, необходимых для мониторинга деформации, оценки повреждений и мониторинга состояния бетона. Углеродное волокно имеет множество преимуществ с точки зрения механических и электрических свойств (например, более высокой прочности) и самоконтроля благодаря высокой прочности на разрыв и высокой проводимости.
  • Углеродные продукты были добавлены для придания бетону электропроводности в целях борьбы с обледенением.

Производство

Бетонный завод , показывающий бетономешалку заполняется из ингредиентов силосов
Бетоносмесительный завод в Бирмингеме, штат Алабама, 1936 г.

Производство бетона - это процесс смешивания различных ингредиентов - воды, заполнителя, цемента и любых добавок - для производства бетона. Производство бетона зависит от времени. После того, как ингредиенты смешаны, рабочие должны положить бетон на место до того, как он затвердеет. В современном мире производство бетона в большинстве случаев происходит на крупном промышленном предприятии, которое называется бетонным заводом или, как правило, заводом по производству бетона .

Обычно бетонные заводы бывают двух основных типов: бетонные заводы и центральные бетонные заводы. Завод по производству готовых смесей смешивает все ингредиенты, кроме воды, а центральный завод по производству смесей смешивает все ингредиенты, включая воду. Центральный смесительный завод предлагает более точный контроль качества бетона за счет более точных измерений количества добавляемой воды, но его необходимо размещать ближе к месту работы, где будет использоваться бетон, поскольку гидратация начинается на заводе.

Бетонный завод состоит из больших бункеров для хранения различных реактивных ингредиентов, таких как цемент, хранилища для сыпучих ингредиентов, таких как заполнитель и вода, механизмов для добавления различных добавок и добавок, оборудования для точного взвешивания, перемещения и смешивания некоторых или всех этих ингредиентов, и оборудование для подачи смешанного бетона, часто в автобетоносмеситель .

Современный бетон обычно готовят в виде вязкой жидкости, чтобы ее можно было разливать в формы, которые представляют собой контейнеры, устанавливаемые в полевых условиях, чтобы придать бетону желаемую форму. Бетонную опалубку можно изготовить несколькими способами, например, с помощью профилирования и изготовления стальных листов . В качестве альтернативы бетон можно смешивать в сушильных, не текучих формах и использовать на заводе для производства сборных железобетонных изделий.

Для обработки бетона используется самое разнообразное оборудование, от ручных инструментов до тяжелого промышленного оборудования. Однако, какое бы оборудование ни использовали производители оборудования, цель состоит в том, чтобы произвести желаемый строительный материал; ингредиенты должны быть правильно перемешаны, размещены, сформированы и сохранены в течение ограниченного времени. Любой перерыв в заливке бетона может привести к тому, что первоначально уложенный материал начнет схватываться до того, как следующая партия будет добавлена ​​сверху. Это создает горизонтальную плоскость ослабления, называемую холодным стыком между двумя партиями. Как только смесь окажется там, где она должна быть, необходимо контролировать процесс отверждения, чтобы гарантировать, что бетон достиг желаемых свойств. Во время подготовки бетона различные технические детали могут повлиять на качество и характер продукта.

Смешение дизайна

Соотношение проектных смесей определяется инженером после анализа свойств конкретных используемых ингредиентов. Вместо использования «номинальной смеси» из 1 части цемента, 2 частей песка и 4 частей заполнителя (второй пример сверху) инженер-строитель разработает бетонную смесь по индивидуальному заказу, чтобы она точно соответствовала требованиям площадки и условиям. установка соотношений материалов и часто разработка пакета добавок для точной настройки свойств или увеличения диапазона рабочих характеристик смеси. Бетон с конструкционной смесью может иметь очень широкие характеристики, которые не могут быть выполнены с более простыми номинальными смесями, но участие инженера часто увеличивает стоимость бетонной смеси.

Бетонные смеси в основном делятся на номинальную, стандартную и дизайнерскую.

Номинальные пропорции смеси указаны в объеме . Номинальные смеси - это простой и быстрый способ получить общее представление о свойствах готового бетона без предварительного тестирования.

Различные руководящие органы (например, Британские стандарты ) определяют номинальные соотношения смешивания по ряду марок, обычно в диапазоне от более низкой прочности на сжатие до более высокой прочности на сжатие. Оценки обычно указывают на 28-дневную силу куба.

Смешивание

Для получения однородного высококачественного бетона необходимо тщательное перемешивание.

Раздельное смешивание пасты показало, что смешивание цемента и воды в пасту перед объединением этих материалов с заполнителями может повысить прочность на сжатие получаемого бетона. Пасту обычно смешивают в высокоскоростном смесителе со сдвиговым усилием при соотношении воды к цементу ( вес / см ) от 0,30 до 0,45 по массе. Премикс цементного теста может включать добавки, такие как ускорители или замедлители схватывания, суперпластификаторы , пигменты или микрокремнезем . Предварительно смешанная паста затем смешивается с заполнителями и любой оставшейся замесной водой, и окончательное смешивание завершается в обычном бетоносмесительном оборудовании.

Анализ проб - Удобство использования

Бетонный пол размещаемой автостоянки
Заливка и разглаживание бетона в парке Палисейдс в Вашингтоне, округ Колумбия

Удобоукладываемость - это способность свежей (пластичной) бетонной смеси должным образом заполнить форму / форму с помощью желаемой работы (заливки, перекачивания, распределения, утрамбовки, вибрации) без снижения качества бетона. Технологичность зависит от содержания воды, заполнителя (форма и гранулометрический состав), содержания цемента и возраста (уровня гидратации ) и может быть изменена путем добавления химических добавок, таких как суперпластификатор. Повышение содержания воды или добавление химических добавок увеличивает удобоукладываемость бетона. Избыток воды приводит к усиленному просачиванию или расслоению заполнителей (когда цемент и заполнители начинают отделяться), в результате чего качество бетона ухудшается. Использование смеси заполнителей с нежелательной градацией может привести к очень жесткой конструкции смеси с очень низкой осадкой, которую невозможно легко сделать более пригодной для обработки путем добавления разумных количеств воды. Нежелательная градация может означать использование крупного заполнителя, который слишком велик для размера опалубки, или у которого слишком мало сортов заполнителя меньшего размера, чтобы заполнить промежутки между более крупными сортами, или использовать слишком мало или слишком много песка для того же самого. причина, или использование слишком мало воды, или слишком много цемента, или даже использование зубчатого щебня вместо более гладкого круглого заполнителя, такого как галька. Любая комбинация этих и других факторов может привести к получению слишком жесткой смеси, т. Е. Которая не течет и не растекается плавно, трудно попасть в опалубку и которую трудно обработать на поверхности.

Технологичность можно измерить с помощью теста на оседание бетона , простого измерения пластичности свежей партии бетона в соответствии со стандартами испытаний ASTM C 143 или EN 12350-2. Осадка обычно измеряется путем заполнения « конуса Абрамса » образцом из свежей партии бетона. Конус кладут широким концом вниз на ровную неабсорбирующую поверхность. Затем его заполняют тремя слоями равного объема, каждый слой утрамбовывается стальным стержнем для закрепления слоя. Когда конус осторожно поднимается, заключенный в нем материал опускается до определенной степени из-за силы тяжести. Относительно сухой образец оседает очень мало, величина осадки составляет один или два дюйма (25 или 50 мм) из одного фута (300 мм). Относительно влажный образец бетона может просесть на целых восемь дюймов. Технологичность также можно измерить с помощью теста на таблице текучести .

Осадку можно увеличить добавлением химических добавок, таких как пластификатор или суперпластификатор, без изменения водоцементного отношения . Некоторые другие добавки, особенно воздухововлекающие, могут увеличивать осадку смеси.

Бетон с высокой текучестью, как и самоуплотняющийся бетон , испытывается другими методами измерения расхода. Один из этих методов включает размещение конуса на узком конце и наблюдение за тем, как смесь течет через конус, когда он постепенно поднимается.

После смешивания бетон становится жидкостью, и его можно перекачивать в нужное место.

Лечение

Бетонная плита остается гидратированной во время отверждения в воде путем погружения (затопления)

Во время отверждения бетон должен быть влажным, чтобы достичь оптимальной прочности и долговечности . Во время отверждения происходит гидратация , позволяющая образоваться гидрату силиката кальция (CSH). Более 90% окончательной прочности смеси обычно достигается в течение четырех недель, а оставшиеся 10% достигаются через годы или даже десятилетия. Превращение гидроксида кальция в бетоне в карбонат кальция в результате поглощения CO 2 в течение нескольких десятилетий дополнительно укрепляет бетон и делает его более устойчивым к повреждениям. Однако эта реакция карбонизации снижает pH раствора пор цемента и может вызвать коррозию арматурных стержней.

Гидратация и твердение бетона в течение первых трех дней имеет решающее значение. Чрезвычайно быстрое высыхание и усадка из-за таких факторов, как испарение от ветра во время укладки, могут привести к увеличению растягивающих напряжений в то время, когда он еще не набрал достаточной прочности, что приведет к большему растрескиванию при усадке. Ранняя прочность бетона может быть увеличена, если он будет влажным во время процесса отверждения. Сведение к минимуму напряжения перед отверждением сводит к минимуму образование трещин. Бетон с высокой ранней прочностью предназначен для более быстрой гидратации, часто за счет более широкого использования цемента, который увеличивает усадку и растрескивание. Прочность бетона изменяется (увеличивается) до трех лет. Это зависит от размеров сечения элементов и условий эксплуатации конструкции. Добавление короткорезанных полимерных волокон может улучшить (уменьшить) напряжения, вызванные усадкой во время отверждения, и повысить прочность на раннее и предельное сжатие.

Правильное отверждение бетона приводит к повышению прочности и снижению проницаемости, а также предотвращает растрескивание в местах преждевременного высыхания поверхности. Также необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать замерзания или перегрева из-за экзотермического схватывания цемента. Неправильное отверждение может вызвать образование накипи , снижение прочности, плохую стойкость к истиранию и растрескивание .

Техники

В течение периода отверждения бетон идеально поддерживается при контролируемой температуре и влажности. Чтобы обеспечить полную гидратацию во время отверждения, бетонные плиты часто опрыскивают «отвердителями», которые создают водоудерживающую пленку на бетоне. Типичные пленки изготавливаются из воска или родственных гидрофобных соединений. После того, как бетон в достаточной степени затвердеет, пленке дают возможность отделиться от бетона при нормальном использовании.

Традиционные условия для отверждения включают распыление или заливку бетонной поверхности водой. На соседнем рисунке показан один из многих способов добиться этого: затвердевший бетон - погрузить его в воду и обернуть пластиком для предотвращения обезвоживания. Дополнительные распространенные методы отверждения включают влажную мешковину и пластиковую пленку, покрывающую свежий бетон.

Для применения с более высокой прочностью к бетону могут применяться методы ускоренного отверждения . Распространенный метод заключается в нагревании залитого бетона паром, который сохраняет его влажным и повышает температуру, чтобы процесс гидратации протекал быстрее и тщательнее.

Альтернативные типы

Асфальт

Асфальтобетон (обычно называемый асфальт , асфальтобетон , или тротуар в Северной Америке, и асфальт , битум щебеночный или прокат асфальт в Соединенном Королевстве и Ирландии ) представляет собой композиционный материал , обычно используемый для поверхностных дорог , автостоянок , аэропортов , в а также ядро насыпных дамб . Асфальтобетонные смеси используются в строительстве дорожных покрытий с начала двадцатого века. Он состоит из минерального заполнителя, связанного с асфальтом , уложенного слоями и уплотненного. Процесс был усовершенствован и усовершенствован бельгийским изобретателем и иммигрантом из США Эдвардом Де Смедтом .

Термины асфальт (или асфальтовый ) бетон , битумный асфальтобетон и асфальтобетонная смесь , как правило , используются только в инженерных и строительных документах, которые определяют , как бетон любого композиционного материал , состоящий из минерального заполнителя прилипшего со связующим веществом. Аббревиатура, переменный ток , иногда используются для асфальтобетона , но может также обозначают процентное содержание асфальта или битум , ссылаясь на жидкую часть асфальтовой композиционного материала.

Concretene

Бетонон очень похож на бетон, за исключением того, что в процессе перемешивания цемента добавляется небольшое количество графена (<0,5% по весу).

Микробный

Бактерии, такие как Bacillus pasteurii , Bacillus pseudofirmus , Bacillus cohnii , Sporosarcina pasteuri и Arthrobacter crystallopoietes, увеличивают прочность бетона на сжатие за счет своей биомассы. Не все бактерии значительно увеличивают прочность бетона за счет своей биомассы. Bacillus sp. КТ-5. может снизить коррозию арматуры в железобетоне до четырех раз. Sporosarcina pasteurii снижает проницаемость для воды и хлоридов. B. pasteurii повышает устойчивость к кислоте. Bacillus pasteurii и B. sphaericus могут вызывать осаждение карбоната кальция на поверхности трещин, повышая прочность на сжатие.

Нанобетон

Декоративная плита из нанобетона с высокоэнергетическим перемешиванием (HEM)

Нанобетон (также называемый « нанобетон » или «нанобетон») - это класс материалов, который содержит частицы портландцемента размером не более 100 мкм и частицы кремнезема размером не более 500 мкм, которые заполняют пустоты, которые в противном случае могли бы возникнуть. в обычном бетоне, тем самым существенно увеличивая прочность материала. Он широко используется в пешеходных и автомобильных мостах, где отмечается высокая прочность на изгиб и сжатие.

Предыдущий

Проницаемый бетон - это смесь крупнозернистого заполнителя, цемента, воды и практически не содержащих мелких заполнителей. Этот бетон также известен как пористый бетон. Смешивание ингредиентов в тщательно контролируемом процессе создает пасту, которая покрывает и связывает частицы заполнителя. Затвердевший бетон содержит взаимосвязанные воздушные пустоты, составляющие примерно от 15 до 25 процентов. Вода течет через пустоты в тротуаре в почву под ним. Воздухововлекающие добавки часто используются в условиях морозно-оттаивания, чтобы свести к минимуму возможность повреждения от мороза. Проницаемый бетон также позволяет дождевой воде просачиваться через дороги и автостоянки, чтобы подпитывать водоносные горизонты, вместо того, чтобы способствовать стоку и наводнениям.

Полимер

Полимерные бетоны представляют собой смеси заполнителя и любых различных полимеров и могут быть армированы. Цемент дороже, чем цемент на основе извести, но полимербетон, тем не менее, имеет преимущества; они обладают значительной прочностью на разрыв даже без армирования и в значительной степени водонепроницаемы. Полимерные бетоны часто используются для ремонта и строительства других объектов, таких как водостоки.

Вулканический

Вулканический бетон заменяет вулканический камень известняком, который сжигается с образованием клинкера. Он потребляет такое же количество энергии, но не выделяет углерод в качестве побочного продукта. Вулканическая порода / зола используются в качестве дополнительных вяжущих материалов в бетоне для повышения устойчивости к реакции сульфатов, хлоридов и щелочного кремнезема за счет измельчения пор. Кроме того, они, как правило, экономичны по сравнению с другими заполнителями, хороши для полу- и легких бетонов и хороши для тепло- и звукоизоляции.

Пирокластические материалы, такие как пемза, шлак и зола, образуются из охлаждающей магмы во время взрывных извержений вулканов. Они используются как дополнительные вяжущие материалы (SCM) или как заполнители для цементов и бетонов. Они широко использовались с древних времен для производства материалов для строительства. Например, пемза и другое вулканическое стекло были добавлены в качестве природного пуццоланового материала для строительных растворов и штукатурок во время строительства виллы Сан-Марко в римский период (89 г. до н.э. - 79 г. н.э.), которая остается одной из наиболее хорошо сохранившихся отиум-вилл Неаполитанский залив в Италии.

Отработанный свет

Отработанный свет представляет собой модифицированный полимером бетон. Специальная полимерная добавка позволяет заменять все традиционные заполнители (гравий, песок, камень) любой смесью твердых отходов с размером зерен 3-10 мм, чтобы получить низкую прочность на сжатие (3-20 Н / мм 2 ). продукт для дорожного и строительного строительства. Один кубический метр отходов легкого бетона содержит 1,1–1,3 м 3 измельченных отходов и никаких других заполнителей.

Характеристики

Бетон имеет относительно высокую прочность на сжатие , но гораздо более низкую прочность на разрыв . Поэтому его обычно армируют прочными на растяжение материалами (часто сталью). Эластичность бетона относительно постоянна при низких уровнях напряжения, но начинает снижаться при более высоких уровнях напряжения по мере развития трещин в матрице. Бетон имеет очень низкий коэффициент теплового расширения и дает усадку по мере созревания. Все бетонные конструкции в той или иной степени растрескиваются из-за усадки и растяжения. Бетон, который подвергается длительным нагрузкам, склонен к ползучести .

Испытания могут быть выполнены, чтобы убедиться, что свойства бетона соответствуют спецификациям для применения.

Испытание на сжатие бетонного баллона

Компоненты влияют на прочность материала. Значения прочности бетона обычно указываются как нижняя граница прочности на сжатие цилиндрического или кубического образца, определяемая стандартными процедурами испытаний.

Прочность бетона определяется его функцией. Бетон с очень низкой прочностью - 14 МПа (2000 фунтов на квадратный дюйм) или меньше - может использоваться, когда бетон должен быть легким. Легкий бетон часто получают путем добавления воздуха, пены или легких заполнителей с побочным эффектом, заключающимся в снижении прочности. Для большинства обычных применений часто используется бетон от 20 до 32 МПа (от 2900 до 4600 фунтов на квадратный дюйм). Бетон 40 МПа (5800 фунтов на квадратный дюйм) коммерчески доступен как более прочный, хотя и более дорогой вариант. Бетон повышенной прочности часто используется для крупных гражданских проектов. Прочность выше 40 МПа (5800 фунтов на квадратный дюйм) часто используется для конкретных строительных элементов. Например, для колонн нижних этажей высотных бетонных зданий может использоваться бетон с плотностью 80 МПа (11 600 фунтов на квадратный дюйм) или более, чтобы размер колонн оставался небольшим. В мостах могут использоваться длинные балки из высокопрочного бетона для уменьшения количества требуемых пролетов. Иногда для других структурных нужд может потребоваться высокопрочный бетон. Если конструкция должна быть очень жесткой, может быть указан бетон очень высокой прочности, даже намного более прочный, чем требуется для выдерживания эксплуатационных нагрузок. По этим причинам в промышленных масштабах использовалась прочность до 130 МПа (18 900 фунтов на кв. Дюйм).

Энергоэффективность

Энергетические потребности для транспортировки бетона низкие, поскольку он производится на местном уровне из местных ресурсов, обычно в пределах 100 километров от строительной площадки. Точно так же относительно мало энергии используется при производстве и объединении сырья (хотя при производстве цемента в результате химических реакций образуется большое количество CO 2 ). Таким образом, общая воплощенная энергия бетона, составляющая примерно от 1 до 1,5 мегаджоулей на килограмм, ниже, чем у большинства конструкционных и строительных материалов.

После укладки бетон обеспечивает высокую энергоэффективность на протяжении всего срока службы здания. Бетонные стены пропускают воздух гораздо меньше, чем деревянные. На утечку воздуха приходится большой процент потерь энергии в доме. Тепловые массовые свойства бетона повышают эффективность как жилых, так и коммерческих зданий. Сохраняя и выделяя энергию, необходимую для нагрева или охлаждения, тепловая масса бетона обеспечивает круглогодичную выгоду за счет уменьшения колебаний температуры внутри и минимизации затрат на нагрев и охлаждение. В то время как изоляция снижает потери энергии через оболочку здания, тепловая масса использует стены для хранения и высвобождения энергии. Современные системы бетонных стен используют как внешнюю изоляцию, так и тепловую массу для создания энергоэффективного здания. Изоляционные бетонные формы (ICF) - это полые блоки или панели, изготовленные из изоляционной пены или растра , которые укладываются друг на друга, чтобы сформировать форму стен здания, а затем заполняются железобетоном для создания конструкции.

Пожарная безопасность

Бостонская ратуша (1968 г.) - это бруталистский проект, построенный в основном из сборного железобетона и залитого на место бетона.

Бетонные здания более устойчивы к возгоранию, чем те, что построены с использованием стальных каркасов, поскольку бетон имеет более низкую теплопроводность, чем сталь, и, таким образом, может прослужить дольше при тех же условиях пожара. Бетон иногда используется в качестве противопожарной защиты для стальных каркасов с тем же эффектом, что и выше. Бетон в качестве противопожарного щита, например Fondu fyre , также можно использовать в экстремальных условиях, например, в качестве стартовой площадки для ракет.

Варианты негорючих конструкций включают полы, потолки и крыши из монолитного и пустотного железобетона. Для стен дополнительными опциями являются технология бетонной кладки и изоляционные бетонные формы (ICF). ICF - это пустотелые блоки или панели, изготовленные из огнестойкой изоляционной пены, которые уложены друг на друга, чтобы сформировать форму стен здания, а затем заполнены железобетоном для создания структуры.

Бетон также обеспечивает хорошее сопротивление внешним силам, таким как сильный ветер, ураганы и торнадо, благодаря своей поперечной жесткости, что приводит к минимальному горизонтальному перемещению. Однако эта жесткость может работать против определенных типов бетонных конструкций, особенно там, где требуется относительно более высокая изгибающаяся конструкция, чтобы противостоять более экстремальным силам.

Безопасность при землетрясении

Как обсуждалось выше, бетон очень прочен на сжатие, но слаб при растяжении. Более сильные землетрясения могут создавать очень большие поперечные нагрузки на конструкции. Эти сдвиговые нагрузки подвергают конструкцию как растягивающим, так и сжимающим нагрузкам. Бетонные конструкции без армирования, как и другие неармированные каменные конструкции, могут выйти из строя при сильных землетрясениях. Неармированные каменные конструкции представляют собой одну из самых серьезных угроз землетрясений во всем мире. Эти риски можно снизить за счет сейсмической модернизации зданий, подверженных риску (например, школьных зданий в Стамбуле, Турция).

Строительство из бетона

Бетон - один из самых прочных строительных материалов. Он обеспечивает превосходную огнестойкость по сравнению с деревянной конструкцией и со временем набирает прочность. Конструкции из бетона могут иметь долгий срок службы. Бетон используется больше, чем любой другой искусственный материал в мире. По данным на 2006 год, ежегодно производится около 7,5 миллиардов кубометров бетона, что составляет более одного кубического метра на каждого человека на Земле.

Железобетон

Использование арматуры в виде железа было введено в 1850-х годах французским промышленником Франсуа Куанье , и только в 1880-х годах немецкий инженер-строитель Г. А. Вайсс использовал сталь в качестве арматуры. Бетон - это относительно хрупкий материал, который прочен при сжатии, но меньше при растяжении. Обычный неармированный бетон не подходит для многих конструкций, поскольку он относительно плохо выдерживает нагрузки, вызванные вибрациями, ветровой нагрузкой и т. Д. Следовательно, для увеличения его общей прочности стальные стержни, проволока, сетка или кабели могут быть заделаны в бетон до его схватывания. Эта арматура, часто называемая арматурой, противостоит растягивающим усилиям.

Железобетон (ЖБИ) - универсальный композит и один из наиболее широко используемых материалов в современном строительстве. Он состоит из различных составляющих материалов с очень разными свойствами, которые дополняют друг друга. В случае железобетона материалами компонентов почти всегда являются бетон и сталь. Эти два материала образуют прочную связь и способны противостоять множеству приложенных сил, эффективно действуя как единый структурный элемент.

Железобетон может быть сборным или монолитным (на месте) бетоном и используется в широком спектре приложений, таких как; строительство плит, стен, балок, колонн, фундаментов и каркасов. Арматура обычно размещается в тех областях бетона, которые могут подвергаться растяжению, например, в нижней части балок. Как правило, сверху и снизу стальной арматуры имеется покрытие толщиной не менее 50 мм, чтобы противостоять растрескиванию и коррозии, которые могут привести к нестабильности конструкции. Другие типы арматуры, не связанной со сталью, например, бетоны, армированные фиброй , используются для специальных применений, преимущественно как средство борьбы с растрескиванием.

Сборный бетон

Сборный бетон - это бетон, который заливается в одном месте для использования в другом месте и является подвижным материалом. Большая часть производства сборного железобетона осуществляется специализированными поставщиками, хотя в некоторых случаях из-за экономических и географических факторов, масштаба продукта или трудностей доступа элементы отливаются на строительной площадке или рядом с ней. Сборное железобетонное производство предлагает значительные преимущества, поскольку оно осуществляется в контролируемой среде, защищенной от непогоды, но обратной стороной этого является вклад в выбросы парниковых газов при транспортировке на строительную площадку.

Преимущества использования сборного железобетона:

  • Существуют предпочтительные размерные схемы с элементами испытанных и испытанных конструкций, доступных из каталога.
  • Значительная экономия времени достигается за счет изготовления конструктивных элементов, помимо ряда событий, определяющих общую продолжительность строительства, известную инженерами-проектировщиками как «критический путь».
  • Наличие лабораторных помещений, способных проводить необходимые контрольные испытания, многие из которых сертифицированы для специальных испытаний в соответствии с национальными стандартами.
  • Оборудование с возможностями, подходящими для определенных типов производства, например, станины для напряжений с соответствующей производительностью, пресс-формы и оборудование, предназначенное для конкретных продуктов.
  • Высококачественная отделка, достигаемая прямо из формы, устраняет необходимость в внутренней отделке и обеспечивает низкие затраты на обслуживание.

Массовые конструкции

Аэрофотоснимок реконструкции насосного хранилища Таум Сук (штат Миссури) в конце ноября 2009 года. После того, как первоначальный резервуар вышел из строя, новый резервуар был сделан из бетона, уплотненного роликами.

Из-за экзотермической химической реакции цемента во время установки большие бетонные конструкции, такие как плотины , судоходные шлюзы , большие маты и большие волноломы, выделяют чрезмерное тепло во время гидратации и связанного с этим расширения. Чтобы смягчить эти эффекты, во время строительства обычно применяется дополнительное охлаждение . Ранний пример на плотине Гувера использовал сеть труб между вертикальными бетонными плитами для циркуляции охлаждающей воды во время процесса отверждения, чтобы избежать повреждения от перегрева. Подобные системы все еще используются; В зависимости от объема заливки, используемой бетонной смеси и температуры окружающего воздуха процесс охлаждения может длиться многие месяцы после укладки бетона. Также используются различные методы для предварительного охлаждения бетонной смеси в конструкциях из массивного бетона.

Другой подход к массовым бетонным конструкциям, который сводит к минимуму термические побочные продукты цемента, - это использование бетона , уплотненного роликами , в котором используется сухая смесь, которая требует гораздо меньшего охлаждения, чем обычная влажная укладка. Он наносится толстыми слоями в виде полусухого материала, затем уплотняется валиком в плотную прочную массу.

Отделка поверхности

Бетонный пол с черным базальтом

Необработанные бетонные поверхности имеют тенденцию быть пористыми и иметь относительно неинтересный вид. Для улучшения внешнего вида и защиты поверхности от пятен, проникновения воды и замерзания можно использовать многие виды отделки.

Примеры улучшенного внешнего вида включают штампованный бетон, где влажный бетон имеет отпечатанный на поверхности узор, который дает эффект мощеной, мощеной или кирпичной плитки, и может сопровождаться окраской. Другой популярный эффект для полов и столешниц - полированный бетон, где бетон оптически полируется алмазным абразивом и герметизируется полимерами или другими герметиками.

Другая отделка может быть достигнута долблением или более традиционными методами, такими как покраска или покрытие другими материалами.

Правильная обработка поверхности бетона, а значит, и его характеристики - важный этап при возведении и ремонте архитектурных сооружений.

Предварительно напряженные конструкции

Стилизованные кактусы украшают звуковую / подпорную стену в Скоттсдейле, Аризона

Предварительно напряженный бетон - это форма железобетона, которая создает сжимающие напряжения во время строительства, чтобы противостоять растягивающим напряжениям, возникающим при использовании. Это может значительно снизить вес балок или плит за счет лучшего распределения напряжений в конструкции для оптимального использования арматуры. Например, горизонтальная балка имеет тенденцию провисать. Предварительно напряженная арматура внизу балки противодействует этому. В предварительно напряженном бетоне предварительное напряжение достигается за счет использования стальных или полимерных стяжек или стержней, которые подвергаются растягивающей силе перед заливкой, или для бетона, подвергнутого последующему напряжению, после заливки.

Используются две разные системы:

  • Предварительно растянутый бетон почти всегда является сборным и содержит стальные проволоки (арматуру), которые удерживаются в напряжении, пока бетон укладывается и схватывается вокруг них.
  • Пост-напряженный бетон имеет сквозные каналы. После того, как бетон набирает прочность, через каналы протягивают сухожилия и нагружают. Затем каналы заполняются раствором. Мосты, построенные таким образом, испытали значительную коррозию арматуры, поэтому теперь можно использовать внешнее последующее натяжение, при котором арматура проходит по внешней поверхности бетона. В предварительно напряженном бетоне предварительное напряжение достигается за счет использования стальных или полимерных стяжек или стержней, которые подвергаются растягивающей силе перед заливкой, или для бетона, подвергнутого последующему напряжению, после заливки.

Этим материалом вымощено более 55 000 миль (89 000 км) автомагистралей в Соединенных Штатах. Железобетон , предварительно напряженный бетон и сборный железобетон являются наиболее широко используемыми типами функциональных пристроек из бетона в наши дни. Для получения дополнительной информации см. Бруталистская архитектура .

Размещение в холодную погоду

Похьолатало , офисное здание из бетона в центре города Коувола в Кюменлааксо , Финляндия

Экстремальные погодные условия (сильная жара или холод, ветер и колебания влажности) могут значительно изменить качество бетона. При размещении в холодную погоду соблюдаются многие меры предосторожности. Низкие температуры значительно замедляют химические реакции, участвующие в гидратации цемента, тем самым влияя на рост прочности. Предотвращение замерзания - самая важная мера предосторожности, поскольку образование кристаллов льда может вызвать повреждение кристаллической структуры гидратированного цементного теста. Если поверхность бетонной заливки изолирована от внешних температур, тепло гидратации предотвратит замерзание.

Определение Американского института бетона (ACI) для укладки в холодную погоду, ACI 306, таково:

  • Период, когда более трех дней подряд средняя дневная температура воздуха опускается ниже 40 ° F (~ 4,5 ° C), и
  • Температура остается ниже 50 ° F (10 ° C) более половины любого 24-часового периода.

В Канаде , где температуры, как правило, намного ниже в холодное время года, CSA A23.1 использует следующие критерии :

  • При температуре воздуха ≤ 5 ° C и
  • Когда есть вероятность того, что температура может упасть ниже 5 ° C в течение 24 часов после укладки бетона.

Минимальная прочность перед воздействием сильного холода на бетон составляет 500 фунтов на квадратный дюйм (3,4 МПа). Согласно CSA A 23.1 прочность на сжатие составляет 7,0 МПа, что считается безопасным при замораживании.

Подводное размещение

Собранный треми для укладки бетона под водой

Бетон можно укладывать и выдерживать под водой. Следует соблюдать осторожность при размещении, чтобы предотвратить вымывание цемента. Методы подводного размещения включают треми , накачку, размещение с пропуском, ручное размещение с помощью тумблеров и мешковин.

Заполнитель - это альтернативный метод формирования бетонной массы под водой, при котором формы заполняются крупным заполнителем, а пустоты затем полностью заполняются перекачиваемым раствором.

Дороги

Бетонные дороги более экономичны для езды, обладают большей отражающей способностью и служат значительно дольше, чем другие покрытия для мощения, но при этом занимают гораздо меньшую долю рынка, чем другие решения для укладки. Современные методы и методы проектирования изменили экономику бетонного покрытия, так что хорошо спроектированное и уложенное бетонное покрытие будет дешевле при начальных затратах и ​​значительно дешевле в течение жизненного цикла. Еще одним важным преимуществом является то, что можно использовать проницаемый бетон , что устраняет необходимость размещать ливневые стоки рядом с дорогой и снижает потребность в слегка наклонном проезжей части, чтобы дождевая вода могла стекать . Отсутствие необходимости сбрасывать дождевую воду через дренаж также означает, что требуется меньше электроэнергии (в противном случае требуется больше откачки в системе распределения воды), и дождевая вода не загрязняется, поскольку она больше не смешивается с загрязненной водой. Скорее, он сразу же поглощается землей.

Окружающая среда, здоровье и безопасность

Производство и использование бетона оказывает широкий спектр экологических, экономических и социальных последствий.

Бетон, цемент и окружающая среда

Основным компонентом бетона является цемент , мелкое, мягкое вещество порошкообразного типа, используемое в основном для связывания мелкого песка и крупных заполнителей в бетоне. Хотя существует множество типов цемента, наиболее распространенным является « портландцемент », который получают путем смешивания клинкера с меньшими количествами других добавок, таких как гипс и молотый известняк. На производство клинкера, основного компонента цемента, приходится основная часть выбросов парниковых газов в этом секторе, включая как энергоемкость, так и технологические выбросы.

Цементная промышленность является одним из трех основных производителей углекислого газа, основного парникового газа, а два других - это производство энергии и транспорт. В среднем каждая тонна произведенного цемента выбрасывает в атмосферу одну тонну CO 2 . Первопроходцы в производстве цемента заявили о достижении более низкой углеродной интенсивности, с 590 кг эквивалента CO 2 на тонну произведенного цемента. Выбросы связаны с процессами горения и кальцинации, на которые приходится примерно 40% и 60% парниковых газов соответственно. Учитывая, что цемент составляет лишь часть компонентов бетона, предполагается, что тонна бетона ответственна за выбросы около 100-200 кг CO 2 . Ежегодно во всем мире используется более 10 миллиардов тонн бетона. В ближайшие годы будет по-прежнему использоваться большое количество бетона, и сокращение выбросов CO 2 в этом секторе будет еще более важным.

Бетон используется для создания твердых поверхностей, которые способствуют поверхностному стоку , который может вызвать сильную эрозию почвы, загрязнение воды и наводнения, но, наоборот, может использоваться для отвода, плотины и контроля наводнений. Бетонная пыль, образующаяся в результате сноса зданий и стихийных бедствий, может быть основным источником опасного загрязнения воздуха. Бетон вносит свой вклад в эффект городского теплового острова , хотя и в меньшей степени, чем асфальт.

Бетон и смягчение последствий изменения климата

Уменьшение содержания цементного клинкера может положительно повлиять на экологическую оценку жизненного цикла бетона. Некоторые исследовательские работы по снижению содержания цементного клинкера в бетоне уже проведены. Однако существуют разные исследовательские стратегии. Часто замена некоторого количества клинкера на большие количества шлака или летучей золы исследовалась на основе традиционной технологии производства бетона. Это может привести к растрате дефицитного сырья, такого как шлак и летучая зола. Целью других исследований является эффективное использование цемента и реактивных материалов, таких как шлак и летучая зола, в бетоне на основе модифицированного подхода к проектированию смесей.

Экологическое исследование показало, что содержание углерода в фасаде из сборного железобетона может быть уменьшено на 50% при использовании представленного армированного волокном бетона с высокими эксплуатационными характеристиками вместо типичной железобетонной облицовки.

Ожидается, что исследования будут использованы в качестве данных для коммерциализации низкоуглеродистых бетонов. Оценка жизненного цикла (LCA) низкоуглеродистого бетона была исследована в соответствии с коэффициентами замещения измельченного гранулированного доменного шлака (GGBS) и летучей золы (FA). Потенциал глобального потепления (GWP) GGBS снизился на 1,1 кг экв. CO 2 / м 3 , тогда как FA снизился на 17,3 кг экв. CO 2 / м 3, когда коэффициент замещения минеральной примеси был увеличен на 10%. В этом исследовании также сравнивались характеристики прочности на сжатие низкоуглеродистого бетона с бинарными смесями в соответствии с коэффициентами замены, и был получен применимый диапазон пропорций смешивания.

Бетон и адаптация к изменению климата

Высококачественные строительные материалы будут особенно важны для повышения устойчивости, в том числе для защиты от наводнений и защиты критически важной инфраструктуры. Риски для инфраструктуры и городов, связанные с экстремальными погодными явлениями, особенно серьезны для тех мест, которые подвержены наводнениям и ураганам, но также и там, где жители нуждаются в защите от экстремальных летних температур. Традиционный бетон может подвергаться деформации при воздействии влажности и высоких концентраций CO 2 в атмосфере . В то время как бетон, вероятно, останется важным в приложениях, где окружающая среда является сложной, необходимы также новые, более умные и адаптируемые материалы.

Бетон - здоровье и безопасность

Переработанный измельченный бетон для повторного использования в качестве гранулированной засыпки загружается в полуприцеп-самосвал.

При шлифовке бетона может образовываться опасная пыль . Воздействие цементной пыли может вызвать такие проблемы, как силикоз , заболевание почек, раздражение кожи и тому подобное. США Национальный институт по безопасности и гигиене труда в Соединенных Штатах рекомендует прикрепление местной вытяжной вентиляции бортика к электрическим бетонными дробилок для контроля над распространением этой пыли. Кроме того, Управление по охране труда (OSHA) установило более строгие правила для компаний, работники которых регулярно контактируют с кварцевой пылью. Обновленное правило по диоксиду кремния, которое OSHA ввело в действие для строительных компаний 23 сентября 2017 года, ограничивает количество пригодных для дыхания рабочих, работающих с кристаллическим кремнеземом, которые могут законно вступать в контакт, до 50 микрограммов на кубический метр воздуха за 8-часовой рабочий день. Это же правило вступило в силу 23 июня 2018 года для общей промышленности, гидроразрыва пласта и морского судоходства. Что крайний срок был продлен до 23 июня 2021 года для инженерного контроля в отрасли гидроразрыва пласта. Компании, которые не соблюдают ужесточенные правила техники безопасности, могут столкнуться с финансовыми издержками и серьезными штрафами. Присутствие в бетоне некоторых веществ, включая полезные и нежелательные добавки, может вызвать проблемы со здоровьем из-за токсичности и радиоактивности. Свежий бетон (до завершения отверждения) очень щелочной, и с ним необходимо обращаться с соответствующими средствами защиты.

Циркулярная экономика

Бетон - отличный материал для строительства долговечных и энергоэффективных зданий. Однако даже при хорошем дизайне потребности человека изменятся, и возникнут потенциальные отходы.

Конец срока службы: деградация бетона и отходы

Tunkhannock Виадук на северо - востоке Пенсильвании был открыт в 1915 году и до сих пор в регулярном использовании сегодня

Бетон может быть поврежден многими процессами, такими как расширение продуктов коррозии стальных арматурных стержней , замерзание захваченной воды, огонь или лучистое тепло, расширение заполнителя, воздействие морской воды, бактериальная коррозия, выщелачивание, эрозия из-за быстро текущей воды, физические и химические повреждения ( карбонатация , хлориды, сульфаты и дистиллятная вода). Микро грибы Aspergillus , Alternaria и Cladosporium были способны расти на образцах бетона , используемого в качестве барьера радиоактивных отходов в Чернобыльской реакторе; выщелачивание алюминия, железа, кальция и кремния.

Бетон может считаться отходами в соответствии с решением Европейской комиссии от 2014/955 / EU для Перечня отходов под кодами: 17 (строительные отходы и отходы сноса, включая вынутый грунт с загрязненных участков) 01 (бетон, кирпичи, плитка и керамика) , 01 (бетон) и 17.01.06 * (смеси, отдельные фракции бетона, кирпича, плитки и керамики, содержащие опасные вещества) и 17.01.07 (смеси, отдельные фракции бетона, кирпича, плитки и керамики, кроме упомянутые в 17.01.06). По оценкам, в 2018 году в Европейском Союзе образовалось 371 910 тысяч тонн минеральных отходов в результате строительства и сноса, и около 4% из этого количества считаются опасными. Германия, Франция и Соединенное Королевство вошли в тройку лидеров по загрязнению с 86 412 тыс. Тонн, 68 976 и 68 732 тыс. Тонн строительных отходов соответственно.

В настоящее время в ЕС не существует критериев прекращения утилизации бетонных материалов. Тем не менее, различные секторы предлагают альтернативы бетонным отходам и повторно используют их в качестве вторичного сырья для различных применений, включая само производство бетона.

Повторное использование бетона

Повторное использование блоков в первоначальной форме или путем разрезания на более мелкие блоки оказывает еще меньшее воздействие на окружающую среду; однако в настоящее время существует лишь ограниченный рынок. Усовершенствованные конструкции зданий, которые позволяют повторно использовать плиты и преобразовывать здания без сноса, могут расширить это использование. Пустотные бетонные плиты легко демонтировать, а расстояние между ними обычно остается неизменным, что делает их удобными для повторного использования.

Возможны и другие случаи повторного использования сборных железобетонных изделий: путем выборочного сноса такие части можно разобрать и собрать для дальнейшего использования на других строительных площадках. Исследования показывают, что планы обратной застройки и повторного монтажа строительных блоков (т.е. повторное использование сборного бетона) являются альтернативой для такого типа строительства, которое защищает ресурсы и экономит энергию. Особенно долгоживущие, прочные, энергоемкие строительные материалы, такие как бетон, могут дольше оставаться в жизненном цикле за счет вторичной переработки. Сборные конструкции являются предпосылкой для конструкций, которые обязательно можно разобрать. В случае оптимального применения в каркасе здания экономия затрат оценивается в 26%, что является прибыльным дополнением к новым методам строительства. Однако это зависит от нескольких настраиваемых курсов. Жизнеспособность этой альтернативы должна быть изучена, поскольку логистика, связанная с транспортировкой тяжелых кусков бетона, может оказать финансовое влияние на работу, а также увеличить углеродный след проекта. Кроме того, постоянно меняющиеся правила в отношении новых зданий во всем мире могут потребовать более высоких стандартов качества для строительных элементов и запретить использование старых элементов, которые могут быть классифицированы как устаревшие.

Переработка бетона

Вторичная переработка бетона становится все более распространенным методом утилизации бетонных конструкций. Когда-то бетонный мусор обычно отправляли на свалки для утилизации, но переработка увеличивается благодаря повышению осведомленности об окружающей среде, правительственным законам и экономическим выгодам.

Вопреки распространенному мнению, восстановление бетона достижимо - бетон можно раздробить и повторно использовать в качестве заполнителя в новых проектах.

Переработка или восстановление бетона снижает использование природных ресурсов и связанные с этим транспортные расходы, а также уменьшает количество отходов на свалках. Однако это мало влияет на сокращение выбросов парниковых газов, поскольку большая часть выбросов происходит при производстве цемента, а сам цемент не может быть переработан. В настоящее время большая часть регенерированного бетона используется для строительства дорожных оснований и строительных проектов. С точки зрения устойчивости эти относительно низкосортные виды использования в настоящее время обеспечивают оптимальный результат.

Процесс рециркуляции может осуществляться на месте , на мобильных установках или в специальных установках для рециркуляции. В качестве исходного материала можно использовать свежий (влажный) бетон из автобетоносмесителей, производственные отходы на заводе сборных железобетонных изделий, строительные и сносные отходы. Наиболее важным источником являются отходы сноса, предпочтительно предварительно отсортированные в процессе выборочного сноса.

Безусловно, наиболее распространенный метод переработки сухого и затвердевшего бетона - это дробление. Мобильные сортировщики и дробилки часто устанавливаются на строительных площадках для обработки на месте. В других случаях создаются специальные перерабатывающие предприятия, которые обычно способны производить заполнитель более высокого качества. Сита используются для достижения желаемого размера частиц и удаления грязи, посторонних частиц и мелких частиц из грубого заполнителя.

Хлориды и сульфаты являются нежелательными загрязнителями, происходящими из почвы и погодных условий, и могут вызвать проблемы с коррозией на алюминиевых и стальных конструкциях. Конечный продукт, Recycled Concrete Aggregate (RCA), обладает такими интересными свойствами, как угловатая форма, более шероховатая поверхность, более низкий удельный вес (20%), более высокое водопоглощение и pH более 11 - этот повышенный pH увеличивает риск щелочных реакций. .

Более низкая плотность RCA обычно повышает эффективность проекта и снижает стоимость работ - заполнители из переработанного бетона дают больший объем по весу (до 15%). Физические свойства грубых заполнителей, изготовленных из дробленого бетона для сноса, делают его предпочтительным материалом для таких применений, как дорожное основание и основание. Это связано с тем, что переработанные заполнители часто имеют лучшие свойства уплотнения и требуют меньше цемента для использования в основаниях. Кроме того, его обычно дешевле получить, чем первичный материал.

Применение заполнителя из переработанного бетона

Основное коммерческое применение заполнителя из переработанного бетона:

  • Составной слой основания (дорожное основание) или необработанные заполнители, используемые в качестве основания для дорожного покрытия, является нижележащим слоем (под покрытием дорожного покрытия), который образует структурную основу для дорожного покрытия. На сегодняшний день это самое популярное приложение для RCA из-за технико-экономических аспектов.
  • Заполнитель для товарного бетона путем простой замены от 10 до 45% натуральных заполнителей в бетонной смеси смесью цемента, песка и воды. Некоторые концептуальные здания демонстрируют прогресс в этой области. Поскольку RCA содержит цемент, пропорции смеси должны быть скорректированы для достижения желаемых структурных требований, таких как удобоукладываемость, прочность и водопоглощение.
  • Стабилизация грунта с включением переработанного заполнителя, извести или летучей золы в материал земляного полотна низкого качества, используемый для увеличения несущей способности этого земляного полотна.
  • Основание труб: служит устойчивым основанием или прочным фундаментом для прокладки подземных коммуникаций. Нормативные акты некоторых стран запрещают использование RCA и других строительных отходов и отходов сноса в фильтрационных и дренажных системах из-за потенциального загрязнения хромом и воздействия значений pH.
  • Ландшафтные материалы: продвижение зеленой архитектуры. На сегодняшний день переработанный бетонный заполнитель использовался в качестве валунов / сложенных каменных стен, опорных конструкций подземных переходов, эрозионных структур, водных объектов, подпорных стен и т. Д.

Проблемы от колыбели до колыбели

Круглость бетона: от колыбели до колыбели

Приложения, разработанные для RCA до сих пор, не являются исчерпывающими, и предстоит разработать множество других приложений, поскольку нормативные акты, учреждения и нормы найдут способы безопасного и экономичного использования строительных отходов и отходов сноса в качестве вторичного сырья. Однако, учитывая цель обеспечения круговорота ресурсов в конкретном жизненном цикле, единственное применение RCA, которое можно рассматривать как переработку бетона, - это замена естественных заполнителей на бетонные смеси. Все остальные приложения подпадут под категорию вторичного использования . Подсчитано, что даже почти полное восстановление бетона из отходов строительства и сноса обеспечит лишь около 20% общих потребностей в заполнителях в развитых странах.

Путь к круговороту выходит за рамки самой технологии производства бетона и зависит от многосторонних достижений в цементной промышленности, исследований и разработок альтернативных материалов, проектирования и управления зданиями, а также сноса, а также сознательного использования пространств в городских районах для снижения потребления.

Мировые рекорды

Мировым рекордом по самой большой бетонной заливке в рамках одного проекта является плотина « Три ущелья» в провинции Хубэй, Китай, созданная корпорацией «Три ущелья». Количество бетона, использованного при строительстве дамбы, оценивается в 16 миллионов кубометров за 17 лет. Предыдущий рекорд - 12,3 млн кубометров на гидроэлектростанции Итайпу в Бразилии.

Мировой рекорд по перекачке бетона был установлен 7 августа 2009 года во время строительства гидроэлектростанции Парбати , недалеко от деревни Суинд, Химачал-Прадеш , Индия, когда бетонная смесь перекачивалась на высоту 715 м (2346 футов) по вертикали.

Polavaram плотины работы в штате Андхра - Прадеш на 6 января 2019 года вступил в Книгу рекордов Гиннесса , выливая 32,100 кубических метров бетона в течение 24 часов. Мировой рекорд по величине непрерывно залитого бетонного плота был достигнут в августе 2007 года в Абу-Даби подрядной фирмой Al Habtoor-CCC Joint Venture, а поставщиком бетона является Unibeton Ready Mix. Заливка (часть фундамента башни Landmark в Абу-Даби ) состояла из 16 000 кубометров бетона, залитых в течение двух дней. Предыдущий рекорд, 13 200 кубических метров, вылитых за 54 часа, несмотря на сильный тропический шторм, потребовавший накрытия площадки брезентом для продолжения работ, был достигнут в 1992 году совместными японскими и южнокорейскими консорциумами Hazama Corporation и Samsung C&T Corporation для строительство башен Петронас в Куала-Лумпуре , Малайзия .

Мировой рекорд по величине непрерывно залитого бетонного пола был установлен 8 ноября 1997 года в Луисвилле , штат Кентукки, проектно-строительной фирмой EXXCEL Project Management. Монолитное сооружение состояло из 225 000 квадратных футов (20 900 м 2 ) бетона, уложенного за 30 часов, с допуском плоскостности F F 54,60 и допуском по плоскостности F L 43,83. Это превзошло предыдущий рекорд на 50% по общему объему и 7,5% по общей площади.

Рекорд по самой большой непрерывной заливке бетона под водой был завершен 18 октября 2010 года в Новом Орлеане, штат Луизиана, подрядчиком CJ Mahan Construction Company, LLC из Гроув-Сити, штат Огайо. Укладка состояла из 10 251 кубических ярдов бетона, уложенных за 58,5 часов с помощью двух бетононасосов и двух специальных бетонных заводов. После отверждения такое размещение позволяет обезвоживать перемычку площадью 50 180 квадратных футов (4662 м 2 ) примерно на 26 футов (7,9 м) ниже уровня моря, чтобы завершить строительство порога и монолита для навигационного канала Внутренней гавани. сухой.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки