Бетон: състав, видове, свойства и приложения в строителството
Бетон: състав, видове, свойства и приложения в строителството — подробно ръководство за избор, технологии и практическо приложение при основи, мостове, настилки и стоманобетон.
Бетонът е важен материал за изграждане на различни сгради и конструкции. Той е композит, съставен от портландцимент, пясък, чакъл или инертни материали и вода в различни пропорции в зависимост от задачата.
Състав
Основните компоненти на бетона са:
- Цимент – най-често портландцимент, който служи като свързващо вещество.
- Агрегати – дребни (пясък) и едри (чакъл или други инертни материали) с различни фракции и чистота.
- Вода – вода, която активира химическата реакция на втвърдяване (хидратация).
- Добавки и примеси – пластификатори, въздуховключващи агенти, присадки за ускоряване или забавяне на втвърдяването, летливи пепелни материали (пепел от въглища), шлакове и др.
Пропорциите и качеството на съставките определят здравината, водонепропускливостта и устойчивостта на бетона. Ключов фактор е водоциментовото отношение (W/C) — по-ниско W/C обикновено дава по-висока якост, но затруднява обработваемостта.
Производство и втвърдяване
Съставките се смесват на паста, подобно на тестото за хляб. След това бетонът се излива в рамка (кофа, кофраж, кутия). След няколко часа той започва да придобива първоначална якост, а окончателната якост се развива в течение на дни и седмици чрез процеса на химическа реакция, известна като хидратация. Стандартно за постигане на проектната якост се приема 28-дневен период на втвърдяване, макар че значителна част от якостта се развива през първите 7 дни.
Правилното уплътняване и поддържане на влажност (навлажняване или използване на покрития) по време на втвърдяване значително подобрява структурните характеристики и намалява напукванията.
Видове бетон
- Обикновен бетон – за общи конструктивни приложения (фундаменти, плочи, колони).
- Армиран бетон (железобетон) – с вградени стоманени армировки за по-добра якост на опън.
- Предварително напрегнат и преднапрегнат бетон – за големи греди и мостове, където армировката се напряга за увеличаване на носимостта.
- Самоуплътняващ се бетон – течлив, запълва формите без механично уплътняване.
- Лек и порест бетон – с лек агрегат за по-малко собствено тегло и по-добра топлоизолация.
- Специални смеси – водонепропускливи, бързовтвърдяващи, устойчими на агресивни среди, бетон за морски условия (втвърдяващ се под вода) и др.
Свойства
- Бетонът е много здрав при натиск, но сравнително слаб при опън, затова се комбинира със стомана.
- Механични характеристики: якост на натиск обикновено от ~20 до над 60 MPa в зависимост от класа; якостта на опън е много по-ниска.
- Дълготрайност: зависи от формулата, уплътняването, защитата срещу агресивни среди (сол, сулфати) и експлоатационните условия (замръзване/топене).
- Топлоемкост и инертност: бетонът е устойчив на огън в разумни граници, но при високи температури може да губи здравина.
Укрепване и стоманобетон
За да компенсира ниската си якост на опън, бетонът често се подсилва със стоманени пръти (арматура). В стоманобетонните сгради може да се направи връзка между всички части - основи, стени, подове и покриви, което дава монолитна конструкция. Въпреки това, самата бетонна конструкция не прави сградите автоматично устойчиви на земетресения — това изисква правилно инженерно проектиране, детайлизиране на арматурата и съобразяване с подвижността на конструкцията.
Има и други методи за подобряване: фибри (стъклени, стоманени, полипропиленови) за контрол на напукванията, химически добавки за подобряване на сцеплението и издръжливостта и импрегнации за намаляване на водопропускливостта.
Приложения
Бетонът се използва за направата на настилки, тръби, архитектурни конструкции, основи, магистрали, мостове, многоетажни паркинги, стени, основи за порти, огради и стълбове и дори за лодки. Освен това се използва в елементи като мостови платна, тунелни облицовки, водостоци, индустриални подове и декоративни фасади.
Най-голямото му предимство е, че свързва тухли и камъни по-добре от всеки друг метод, познат на човечеството, а също така позволява моделиране на сложни форми и интегриране на функционални решения (канали, арки, кофражни детайли).
История и производство
Бетонът е на възраст 5600 г. пр.н.е. — ранни форми са използвани от различни древни цивилизации. Той не е изобретен от римляните, но римляните доразвиват използването на хидравлични свързващи материали и строят множество дълготрайни съоръжения. С модернизацията на портландцимента и индустриалното производство през 19–20 век, потреблението на бетон нараства значително.
Бетонът се използва повече от всеки друг изкуствен материал в света. Към 2006 г. всяка година се произвеждат около 7,5 милиарда кубически метра бетон - повече от един кубически метър за всеки човек на Земята. Днес готовият бетон се доставя често като ready-mix от центрове за смесване, което осигурява контрол на качеството и бързо полагане.
Специални характеристики и поддръжка
Някои видове бетон са водонепропускливи, а някои видове дори се втвърдяват под вода — това позволява употреба при хидротехнически съоръжения и пристанищни конструкции. За защита срещу корозия на арматура, проникване на хлориди и сулфатна атака се прилагат покрития, инхибитори, електрохимични методи и контрол на състава на сместа.
Поддръжката включва: почистване, запълване на пукнатини, контрол на оттичането на вода и периодично нанасяне на защитни импрегнации и покрития.
Екологични аспекти
Производството на цимент е енергоемко и е значителен източник на CO2 емисии. За намаляване на въглеродния отпечатък се използват заместители на част от цимента (т.нар. допълнителни втвърдяващи материали като летяща пепел, доменен шлак, силициев прах), оптимизиране на конструкциите, използване на рециклирани агрегати и нови технологии за улавяне и съхранение на въглерод.
Заключение
Бетонът е универсален и икономичен строителен материал с широк спектър от приложения. С правилен състав, технология на полагане и поддръжка може да осигури дълготрайни и функционални конструкции. Знаейки неговите силни и слаби страни (висока якост на натиск, ниска якост на опън), инженерите проектират подходящи подсилващи и защитни решения, за да гарантират безопасност и устойчивост.
Пантеонът на Адриан в Рим е пример за римска бетонна конструкция.
Външен изглед на Римския пантеон, който все още е най-големият (диаметър 43,4 м) неармиран купол от масивен бетон.
Модерна сграда: Кметството на Бостън (завършено през 1968 г.) е изградено предимно от бетон, както сглобяем, така и изливан на място.
Бетон, използван за изграждане на сграда
Добавки
Съществуват много добавки, които правят бетона по-бърз, по-бавен, по-здрав, намаляват корозията и т.н. Римляните са открили, че с добавяне на вулканична пепел се получава бетон, който се втвърдява под вода. Римляните също така са знаели, че добавянето на конски косми намалява вероятността от напукване на бетона при втвърдяване, а добавянето на кръв го прави по-устойчив на замръзване.
Съвременният бетон е създаден през 1756 г. от британския инженер Джон Смитън. Той добавя камъчета и тухли на прах към цимента. През 1824 г. английският изобретател Джоузеф Аспдин изобретява портландцимента, който остава основният цимент, използван при производството на бетон. Той изпича заедно смлян варовик и глина. Процесът на горене променя химическите свойства на материалите и Аспдин създава по-здрав цимент, отколкото може да се получи само от обикновен натрошен варовик.
През XIX век френският градинар Жозеф Моние изобретява стоманобетона през 1849 г. (патентован през 1867 г.). Франсоа Койне го изучава и усъвършенства. Това е бетон със стоманени пръти в него, наречени арматура (армировъчни пръти). Стъклените или пластмасовите влакна започват да заместват стоманените пръти.
Към сместа могат да се добавят много съвременни химикали, за да се постигнат специални цели. "Суперпластификаторите" са химикали, които подобряват обработваемостта, т.е. способността за оформяне на бетона, преди да се е втвърдил. Пигментите могат да променят скучния сив цвят. Инхибиторите на корозията могат да намалят ръждясването на стоманените пръти. "Увличането на въздуха" е издуване на малки мехурчета в бетона, преди той да се втвърди. Това помага на бетона да оцелее при замразяване и размразяване в условията на студен климат. Шлаката от доменни пещи може да се смесва с бетона. Тя променя цвета на бетона в почти чисто бял и го прави по-здрав.
Въпроси и отговори
Въпрос: От какво е направен бетонът?
О: Бетонът е композитен материал, съставен от портландцимент, пясък, чакъл или инертни материали и вода в различни пропорции в зависимост от задачата.
В: Колко бетон се произвежда всяка година?
О: Към 2006 г. всяка година се произвеждат около 7,5 милиарда кубически метра бетон - повече от един кубически метър за всеки човек на Земята.
В: Какво се получава при смесването на съставките?
О: Смесването на съставките създава паста, подобно на тестото за хляб.
В: Как се втвърдява бетонът?
О: Бетонът се втвърдява в резултат на химическа реакция, известна като хидратация. Водата реагира с цимента, който свързва останалите компоненти, като в крайна сметка създава здрав материал, подобен на камък.
В: Какви са някои от обичайните приложения на бетона?
О: Често срещаните употреби на бетона включват настилки, тръби, архитектурни конструкции, основи, магистрали, мостове и многоетажни паркинги. Той може да се използва и за направата на стени, основи за порти и огради и дори за лодки.
В: Кое е предимството на използването на бетон пред други материали?
О: Едно от предимствата на използването на бетон пред други материали е, че той свързва тухли и камъни по-добре от всеки друг метод, познат на човечеството.
В: Кога е използван бетонът за първи път?
О: За първи път бетонът е използван още през 5600 г. пр.
обискирам