Бетон – это композитный материал , состоящий из заполнителя , связанного жидким цементом , который со временем затвердевает. Бетон является вторым наиболее используемым веществом в мире после воды [ 1] и является наиболее широко используемым строительным материалом. [2] Его использование во всем мире, тонна на тонну, вдвое превышает потребление стали, дерева, пластика и алюминия вместе взятых. [3]
Когда заполнитель смешивается с сухим портландцементом и водой , смесь образует жидкую суспензию , которую легко разливать и придавать ей форму. Цемент реагирует с водой посредством процесса, называемого гидратацией бетона [4] , в результате которого он затвердевает в течение нескольких часов, образуя твердую матрицу, которая связывает материалы вместе в прочный камнеподобный материал, который имеет множество применений. [5] Это время позволяет не только отливать бетон в формы, но и выполнять различные технологические процессы. Процесс гидратации является экзотермическим , а это означает, что температура окружающей среды играет важную роль в том, сколько времени потребуется бетону для схватывания. Часто в смесь включают добавки (например, пуццоланы или суперпластификаторы ) для улучшения физических свойств влажной смеси, задержки или ускорения времени отверждения или иного изменения готового материала. Большая часть бетона заливается армирующими материалами (такими как стальная арматура ), встроенными в него для обеспечения прочности на растяжение , в результате чего получается армированный бетон .
В прошлом часто использовались цементные связующие на основе извести, такие как известковая замазка , но иногда с другими гидравлическими цементами (водостойкими), такими как цемент на основе алюмината кальция или портландцемент, для образования портландцементного бетона (названного из-за его визуального сходства с цементом). Портлендский камень ). [6] [7] Существует множество других нецементных типов 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 строительного раствора . В то время как бетон сам по себе является строительным материалом, раствор представляет собой связующее вещество, которое обычно скрепляет кирпичи , плитку и другие каменные элементы. [8] Затирка — еще один материал, связанный с бетоном и цементом. Он не содержит крупных заполнителей, обычно является текучим или тиксотропным и используется для заполнения зазоров между компонентами кладки или уже уложенным крупным заполнителем. Некоторые методы изготовления и ремонта бетона включают закачку раствора в зазоры для образования твердой массы на месте .
Слово «конкретный» происходит от латинского слова « concretus » (что означает компактный или сжатый), [9] совершенного пассивного причастия от « concrescere », от « con -» (вместе) и « crescere » (расти).
Бетонные полы были найдены в царском дворце Тиринфа в Греции, который датируется примерно 1400-1200 годами до нашей эры. [10] [11] Известковые ступки использовались в Греции, например, на Крите и Кипре, в 800 году до нашей эры. В Ассирийском акведуке Джерван (688 г. до н. э.) использовался водостойкий бетон . [12] Бетон использовался для строительства многих древних построек. [13]
Бетон майя на руинах Ушмаля (850-925 гг. н. э.) упоминается в «Случаях путешествия по Юкатану» Джона Л. Стивенса . «Крыша плоская и залита цементом». «Полы были цементные, местами твердые, но от длительного воздействия сломались и теперь рассыпаются под ногами». «Но вся стена была сплошной и состояла из больших камней, залитых известком, почти таким же твердым, как скала».
Мелкомасштабное производство материалов, подобных бетону, было впервые 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 обнаружили преимущества гидравлической извести с некоторыми свойствами самоцементирования. Они построили печи для подачи раствора для строительства каменных домов, бетонных полов и подземных водонепроницаемых цистерн . Они держали цистерны в секрете, поскольку они позволяли набатейцам процветать в пустыне. [14] Некоторые из этих структур сохранились и по сей день. [14]
В эпоху Древнего Египта , а затем и в эпоху Римской империи строители обнаружили, что добавление вулканического пепла к извести позволяет смеси затвердевать под водой. Они открыли пуццолановую реакцию .
Римляне широко использовали бетон с 300 г. до н.э. по 476 г. н.э. [16] Во времена Римской империи римский бетон (или opus caementicium ) изготавливался из негашеной извести , пуццолана и заполнителя пемзы . Его широкое использование во многих римских постройках , ключевое событие в истории архитектуры, названное Римской архитектурной революцией , освободило римское строительство от ограничений, связанных с каменными и кирпичными материалами. Это позволило создать революционно новые конструкции с точки зрения как структурной сложности, так и размеров. [17] Колизей в Риме был построен в основном из бетона, а Пантеон имеет самый большой в мире неармированный бетонный купол. [18]
Бетон, каким его знали римляне, был новым и революционным материалом. Выложенный в форме арок , сводов и куполов , он быстро затвердел в жесткую массу, свободную от многих внутренних ударов и напряжений, которые беспокоили строителей подобных сооружений из камня или кирпича. [19]
Современные испытания показывают, что opus caementicium имел такую же прочность на сжатие, как и современный портландцементный бетон (около 200 кг/см 2 [20 МПа; 2800 фунтов на квадратный дюйм]). [20] Однако из-за отсутствия арматуры его прочность на растяжение была намного ниже, чем у современного железобетона , а способ его применения также отличался: [21]
Современный конструкционный бетон отличается от римского бетона двумя важными деталями. Во-первых, консистенция смеси жидкая и однородная, что позволяет разливать ее по формам, а не требовать ручного укладывания слоев вместе с укладкой заполнителя, который в римской практике часто представлял собой щебень . Во-вторых, цельная арматурная сталь придает современным бетонным конструкциям большую прочность на растяжение, тогда как устойчивость римского бетона к растяжению могла зависеть только от прочности бетонного соединения. [22]
Было обнаружено, что долгосрочная долговечность римских бетонных конструкций обусловлена использованием пирокластических (вулканических) пород и пепла, в результате чего происходит кристаллизация стратлингита (специфического и сложного гидрата алюмосиликата кальция) [23] и слияние этого и Подобные кальциево-алюминиево-силикатно-гидратные цементирующие вяжущие помогли придать бетону большую степень устойчивости к разрушению даже в сейсмически активных средах. [24] Римский бетон значительно более устойчив к эрозии морской водой, чем современный бетон; здесь использовались пирокластические материалы, которые вступали в реакцию с морской водой и со временем образовывали кристаллы альтоберморита . [25] [26] Считается, что использование горячего смешивания и присутствие известковых кусков придают бетону способность к самовосстановлению, когда образующиеся трещины заполняются кальцитом, который предотвращает распространение трещины. [27] [28]
Широкое использование бетона во многих римских постройках привело к тому, что многие из них сохранились до наших дней. Термы Каракаллы в Риме – лишь один из примеров. Многие римские акведуки и мосты, такие как великолепный Пон-дю-Гар на юге Франции, имеют каменную облицовку на бетонном ядре, как и купол Пантеона .
После Римской империи использование жженой извести и пуццолана значительно сократилось. Низкие температуры в печи при обжиге извести, отсутствие пуццолана и плохое перемешивание способствовали ухудшению качества бетона и раствора. С 11 века более широкое использование камня в строительстве церквей и замков привело к увеличению спроса на раствор. Качество начало улучшаться в 12 веке за счет лучшего измельчения и просеивания. Средневековые известковые растворы и бетоны были негидравлическими и использовались для скрепления кладки, «сердца» (связывания кернов кладки из бутового камня ) и фундаментов. Варфоломей Английский в своем «De proprietatibus rerum» (1240 г.) описывает изготовление строительного раствора. В английском переводе 1397 года оно гласит: «Лайм ... это каменная червь; путем ее смешивания с зондом и водой получают семент». С 14 века качество раствора снова стало превосходным, но только с 17 века в него стали часто добавлять пуццолану. [29]
Канал дю Миди был построен из бетона в 1670 году. [30]
Возможно, величайшим шагом вперед в современном использовании бетона стала Башня Смитона , построенная британским инженером Джоном Смитоном в Девоне , Англия, между 1756 и 1759 годами. Этот третий маяк Эддистона стал пионером в использовании гидравлической извести в бетоне с использованием гальки и порошкообразного кирпича в качестве агрегат. [31]
Метод производства портландцемента был разработан в Англии и запатентован Джозефом Аспдином в 1824 году. [32] Аспдин выбрал название из-за его сходства с портландским камнем , который был добыт на острове Портленд в Дорсете , Англия. Его сын Уильям продолжил разработки до 1840-х годов, что принесло ему признание за разработку «современного» портландцемента. [33]
Железобетон был изобретен в 1849 году Жозефом Монье . [34] и первый железобетонный дом был построен Франсуа Куанье [35] в 1853 году. Первый бетонный железобетонный мост был спроектирован и построен Жозефом Монье в 1875 году. [36]
Предварительно напряженный бетон и пост-напряженный бетон были впервые изобретены Эженом Фрейсине , французским инженером - строителем . Бетонные компоненты или конструкции сжимаются армированными тросами во время или после их изготовления, чтобы укрепить их против растягивающих усилий, возникающих при вводе в эксплуатацию. Фрейсине запатентовал эту технику 2 октября 1928 года .
Бетон — это искусственный композиционный материал , состоящий из матрицы цементного вяжущего (обычно портландцементного теста или асфальта ) и дисперсной фазы или «наполнителя» заполнителя (обычно скального материала, рыхлых камней и песка). Связующее «склеивает» наполнитель вместе, образуя синтетический конгломерат . [38] Доступно множество типов бетона , в зависимости от состава вяжущих и типов заполнителей, используемых для применения конкретного материала. Эти переменные определяют прочность и плотность, а также химическую и термическую стойкость готового изделия.
Строительные заполнители состоят из больших кусков материала в бетонной смеси, обычно крупного гравия или щебня, такого как известняк или гранит , а также более мелких материалов, таких как песок .
Цементное тесто, чаще всего изготовленное из портландцемента , является наиболее распространенным видом вяжущего вещества для бетона. В случае цементных вяжущих вода смешивается с сухим цементным порошком и заполнителем, в результате чего образуется полужидкая суспензия (паста), которой можно придавать форму, обычно заливая ее в форму. Бетон затвердевает и затвердевает в результате химического процесса, называемого гидратацией . Вода вступает в реакцию с цементом, который связывает другие компоненты вместе, создавая прочный материал, похожий на камень. Иногда добавляются другие вяжущие материалы, такие как летучая зола и шлаковый цемент — либо предварительно смешанные с цементом, либо непосредственно в качестве компонента бетона — и они становятся частью связующего для заполнителя. [39] Летучая зола и шлак могут улучшить некоторые свойства бетона, такие как свежесть и долговечность. [39] В качестве альтернативы в качестве вяжущего для бетона можно использовать и другие материалы: наиболее распространенным заменителем является асфальт , который используется в качестве вяжущего в асфальтобетоне .
Добавки добавляются для изменения скорости отверждения или свойств материала. Минеральные добавки используют переработанные материалы в качестве ингредиентов бетона. К заметным материалам относятся летучая зола , побочный продукт угольных электростанций ; молотый гранулированный доменный шлак , побочный продукт сталеплавильного производства ; и микрокремнезем , побочный продукт промышленных электродуговых печей .
Конструкции, в которых используется портландцементный бетон, обычно включают стальную арматуру, поскольку этот тип бетона может иметь высокую прочность на сжатие , но всегда имеет более низкую прочность на растяжение . Поэтому его обычно армируют прочными на растяжение материалами, обычно стальной арматурой .
Состав смеси зависит от типа возводимой конструкции, способа смешивания и подачи бетона, а также способа его размещения для формирования конструкции.
Портландцемент является наиболее распространенным типом цемента общего назначения. Это основной ингредиент бетона, строительного раствора и многих штукатурок . [40] Британский каменщик Джозеф Аспдин запатентовал портлендский цемент в 1824 году. Он был назван из-за сходства его цвета с портлендским известняком , добытым на английском острове Портленд и широко используемым в лондонской архитектуре. Он состоит из смеси силикатов кальция ( алита , белита ), алюминатов и ферритов — соединений, объединяющих кальций, кремний, алюминий и железо в формах, вступающих в реакцию с водой. Портландцемент и подобные материалы изготавливаются путем нагревания известняка (источника кальция) с глиной или сланцем (источником кремния, алюминия и железа) и измельчения этого продукта (так называемого клинкера ) с источником сульфата (чаще всего гипса ).
В современных цементных печах используется множество усовершенствованных функций, позволяющих снизить расход топлива на тонну произведенного клинкера. Цементные печи представляют собой чрезвычайно большие, сложные и по своей сути пыльные промышленные установки, выбросы которых необходимо контролировать. Из различных ингредиентов, используемых для производства определенного количества бетона, цемент является самым энергетически дорогим. Даже сложные и эффективные печи требуют от 3,3 до 3,6 гигаджоулей энергии для производства тонны клинкера и последующего измельчения его в цемент . Многие печи можно заправлять трудноутилизируемыми отходами, наиболее распространенными из которых являются использованные шины. Чрезвычайно высокие температуры и длительные периоды времени при таких температурах позволяют цементным печам эффективно и полностью сжигать даже трудное в использовании топливо. [41]
При соединении воды с вяжущим материалом в процессе гидратации образуется цементное тесто. Цементное тесто склеивает заполнитель, заполняет внутри него пустоты и обеспечивает его более свободное течение. [42]
Как указано в законе Абрамса , более низкое соотношение воды и цемента дает более прочный и долговечный бетон, тогда как большее количество воды дает более свободно текучий бетон с более высокой осадкой . [43] Загрязненная вода, используемая для изготовления бетона, может вызвать проблемы при схватывании или привести к преждевременному разрушению конструкции. [44]
Портландцемент состоит из пяти основных соединений силикатов и алюминатов кальция в количестве от 5 до 50% по весу, которые подвергаются гидратации, что способствует повышению прочности конечного материала. Таким образом, гидратация цемента включает множество реакций, часто протекающих одновременно. По мере протекания реакций продукты процесса гидратации цемента постепенно связывают между собой отдельные частицы песка, гравия и другие компоненты бетона, образуя твердую массу. [45]
Из-за характера химических связей, образующихся в этих реакциях, и конечных характеристик образующегося затвердевшего цементного теста процесс гидратации цемента считается необратимым. [46]
Мелкие и крупные заполнители составляют основную часть бетонной смеси. В основном для этой цели используют песок , природный гравий и щебень . Переработанные заполнители (из отходов строительства, сноса и земляных работ) все чаще используются в качестве частичной замены натуральных заполнителей, в то время как ряд промышленных заполнителей, включая доменный шлак с воздушным охлаждением и зольный остаток , также разрешен.
Распределение заполнителя по размерам определяет, сколько вяжущего требуется. Заполнитель с очень равномерным распределением размеров имеет самые большие пробелы, тогда как добавление заполнителя с более мелкими частицами имеет тенденцию заполнять эти пробелы. Связующее должно заполнять зазоры между заполнителями, а также склеивать поверхности заполнителя и обычно является самым дорогим компонентом. Таким образом, изменение размеров заполнителя снижает стоимость бетона. [47] Заполнитель почти всегда прочнее вяжущего, поэтому его использование не оказывает отрицательного влияния на прочность бетона.
Перераспределение заполнителей после уплотнения часто создает неоднородность из-за влияния вибрации. Это может привести к градиентам прочности. [48]
Декоративные камни, такие как кварцит , небольшие речные камни или измельченное стекло, иногда добавляются к поверхности бетона для декоративной отделки «открытым заполнителем», популярной среди ландшафтных дизайнеров.
Добавки – это материалы в форме порошка или жидкостей, которые добавляются в бетон для придания ему определенных характеристик, недоступных обычным бетонным смесям. Примеси определяются как добавки, «вносимые во время приготовления бетонной смеси». [49] Наиболее распространенными присадками являются замедлители и ускорители. При обычном использовании дозировка добавки составляет менее 5% от массы цемента и добавляется в бетон во время дозирования/смешивания. [50] (См. § Производство ниже.) Распространенными типами добавок [51] являются следующие:
Неорганические материалы, обладающие пуццолановыми или скрытыми гидравлическими свойствами, эти очень мелкозернистые материалы добавляются в бетонную смесь для улучшения свойств бетона (минеральные добавки) [50] или в качестве замены портландцемента (цементные смеси). [56] Продукты, в состав смеси которых входят известняк , летучая зола , доменный шлак и другие полезные материалы с пуццолановыми свойствами , проходят испытания и используются. Актуальность этих разработок постоянно возрастает с целью минимизировать воздействие, вызванное использованием цемента, известного тем, что он является одним из крупнейших производителей (примерно от 5 до 10%) мировых выбросов парниковых газов . [57] Использование альтернативных материалов также способно снизить затраты, улучшить свойства бетона и переработать отходы, причем последнее актуально для аспектов экономики замкнутого цикла в строительной отрасли , спрос на которую постоянно растет, что оказывает большее влияние на добычу сырья, отходы. практика производства и захоронения отходов .
Производство бетона — это процесс смешивания различных ингредиентов — воды, заполнителя, цемента и любых добавок — для производства бетона. Производство бетона зависит от времени. После смешивания ингредиентов рабочие должны уложить бетон до того, как он затвердеет. В современном использовании большая часть производства бетона происходит на крупном промышленном объекте, называемом бетонным заводом или часто бетонным заводом. Обычный метод укладки — заливка в опалубку , которая удерживает форму смеси до тех пор, пока она не затвердеет настолько, что сможет удерживать свою форму без посторонней помощи.
В общем случае бетонные заводы делятся на два основных типа: заводы по производству готовых смесей и центральные заводы по производству бетонных смесей. На заводе по производству готовых смесей смешиваются все ингредиенты, кроме воды, а на центральном заводе по производству готовых смесей смешиваются все ингредиенты, включая воду. Завод с централизованным смешиванием обеспечивает более точный контроль качества бетона за счет более точного измерения количества добавляемой воды, но его необходимо размещать ближе к рабочей площадке, 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 средства для подачи бетонной смеси, часто в автобетоносмеситель .
Современный бетон обычно готовят в виде вязкой жидкости, чтобы его можно было разливать в формы, которые представляют собой контейнеры, возведенные на месте для придания бетону желаемой формы. Бетонную опалубку можно изготовить несколькими способами, например, методом скользящей формовки и изготовления стальных пластин . В качестве альтернативы бетон можно смешивать в более сухие, нежидкие формы и использовать на заводе для производства сборных железобетонных изделий.
Для обработки бетона используется самое разнообразное оборудование: от ручных инструментов до тяжелой промышленной техники. Однако какое бы оборудование ни использовали производители, их цель состоит в том, чтобы произвести желаемый строительный материал; Ингредиенты необходимо правильно перемешать, разместить, придать им форму и хранить в течение ограниченного времени. Любой перерыв в заливке бетона может привести к тому, что первоначально уложенный материал начнет схватываться до того, как сверху будет добавлена следующая партия. Это создает горизонтальную плоскость слабости, называемую холодным швом, между двумя партиями. [63] Как только смесь окажется там, где она должна быть, необходимо контролировать процесс отверждения, чтобы гарантировать, что бетон достигнет желаемых свойств. Во время приготовления бетона различные технические детали могут повлиять на качество и характер продукта.
Расчетные соотношения смеси определяются инженером после анализа свойств конкретных используемых ингредиентов. Вместо использования «номинальной смеси», состоящей 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. определение соотношения материалов и часто разработка пакета присадок для точной настройки свойств или увеличения диапазона эксплуатационных характеристик смеси. Бетон с дизайнерской смесью может иметь очень широкие характеристики, которые невозможно удовлетворить с помощью более простых номинальных смесей, но участие инженера часто увеличивает стоимость бетонной смеси.
Бетонные смеси в основном делятся на номинальную смесь, стандартную смесь и расчетную смесь.
Номинальные соотношения смеси указаны в объёме . Номинальные смеси — это простой и быстрый способ получить общее представление о свойствах готового бетона без необходимости проведения предварительных испытаний.
Различные руководящие органы (например, Британские стандарты ) определяют номинальные соотношения смешивания для ряда марок, обычно в диапазоне от более низкой прочности на сжатие до более высокой прочности на сжатие. Оценки обычно указывают 28-дневную силу куба. [64]
Тщательное перемешивание необходимо для получения однородного высококачественного бетона.
Раздельное смешивание пасты показало, что смешивание цемента и воды в пасту перед соединением этих материалов с заполнителями может повысить прочность получаемого бетона на сжатие . [65] Пасту обычно смешивают в высокоскоростном смесителе сдвигового типа при соотношении в/ц (соотношение воды и цемента) от 0,30 до 0,45 по массе. Премикс цементного теста может включать такие добавки, как ускорители или замедлители схватывания, суперпластификаторы , пигменты или микрокремнезем . Затем предварительно приготовленную пасту смешивают с заполнителями и оставшейся замесной водой, а окончательное смешивание завершают в обычном бетоносмесительном оборудовании. [66]
.jpg/1280px-Cannon_Renewal_Project_-_October_2016_(30662609012).jpg)
Удобоукладываемость – это способность свежей (пластичной) бетонной смеси правильно заполнять форму, выполняя желаемую работу (заливка, перекачивание, растекание, трамбование, вибрация) и без снижения качества бетона. Работоспособность зависит от содержания воды, заполнителя (распределение формы и размеров), содержания цемента и возраста (уровня гидратации ) и может быть изменена путем добавления химических добавок, таких как суперпластификатор. Увеличение содержания воды или добавление химических добавок повышает удобоукладываемость бетона. Избыток воды приводит к усилению кровотечения или расслоению заполнителей (когда цемент и заполнители начинают разделяться), в результате чего качество получаемого бетона снижается. Изменения градации также могут повлиять на удобоукладываемость бетона, хотя для различных применений можно использовать широкий диапазон градаций. [67] [68] Нежелательная градация может означать использование крупного заполнителя, который слишком велик для размера опалубки, или в котором слишком мало мелких сортов заполнителя, чтобы заполнить промежутки между более крупными сортами, или использование слишком малого или слишком много песка по той же причине, или слишком мало воды, или слишком много цемента, или даже использовать зубчатый щебень вместо более гладкого круглого заполнителя, такого как галька. Любая комбинация этих и других факторов может привести к получению слишком жесткой смеси, т. е. смеси, которая не растекается и не распределяется равномерно, с трудом попадает в опалубку и поверхность которой трудно обрабатывать. [69]
Работоспособность можно измерить с помощью теста на осадку бетона — простого измерения пластичности свежей партии бетона в соответствии со стандартами испытаний ASTM C 143 или EN 12350-2. Осадку обычно измеряют путем заполнения « конуса Абрамса » образцом свежей партии бетона. Конус кладут широким концом вниз на ровную невпитывающую поверхность. Затем его заполняют тремя слоями одинакового объема, при этом каждый слой утрамбовывают стальным стержнем для закрепления слоя. Когда конус осторожно поднимают, заключенный в нем материал под действием силы тяжести оседает на определенную величину. Относительно сухой образец оседает очень мало, его величина оседания составляет один или два дюйма (25 или 50 мм) на один фут (300 мм). Относительно влажный образец бетона может упасть на целых восемь дюймов. Работоспособность также можно измерить с помощью теста таблицы текучести .
Осадку можно увеличить путем добавления химических добавок, таких как пластификатор или суперпластификатор, без изменения водоцементного соотношения . [70] Некоторые другие добавки, особенно воздухововлекающие, могут увеличить осадку смеси.
Бетон с высокой текучестью, как и самоуплотняющийся бетон , тестируется другими методами измерения расхода. Один из таких методов включает в себя размещение конуса на узком конце и наблюдение за тем, как смесь течет через конус, пока он постепенно поднимается.
После смешивания бетон становится жидкостью и его можно перекачивать в нужное место.
Во время затвердевания бетон должен оставаться влажным, чтобы достичь оптимальной прочности и долговечности . [71] Во время отверждения происходит гидратация , в результате чего образуется гидрат силиката кальция (CSH). Более 90% окончательной прочности смеси обычно достигается в течение четырех недель, а оставшиеся 10% достигаются в течение многих лет или даже десятилетий. [72] Преобразование гидроксида кальция в бетоне в карбонат кальция в результате поглощения CO 2 в течение нескольких десятилетий еще больше укрепляет бетон и делает его более устойчивым к повреждениям. Однако эта реакция карбонизации снижает pH пористого раствора цемента и может вызвать коррозию арматурных стержней.
Гидратация и затвердевание бетона в течение первых трех дней имеют решающее значение. Аномально быстрое высыхание и усадка из-за таких факторов, как испарение от ветра во время укладки, могут привести к увеличению растягивающих напряжений в тот момент, когда материал еще не набрал достаточной прочности, что приведет к большему растрескиванию при усадке. Раннюю прочность бетона можно повысить, если в процессе затвердевания он будет оставаться влажным. Минимизация напряжения перед отверждением сводит к минимуму растрескивание. Бетон с высокой ранней прочностью предназначен для более быстрого гидратирования, часто за счет увеличения использования цемента, который увеличивает усадку и растрескивание. Прочность бетона изменяется (увеличивается) на срок до трех лет. Это зависит от размеров сечения элементов и условий эксплуатации конструкции. [73] Добавление укороченных полимерных волокон может улучшить (уменьшить) напряжения, вызванные усадкой во время отверждения, и увеличить раннюю и конечную прочность на сжатие. [74]
Правильное затвердевание бетона приводит к увеличению прочности и снижению проницаемости, а также позволяет избежать растрескивания при преждевременном высыхании поверхности. Необходимо также соблюдать осторожность, чтобы избежать замерзания или перегрева из-за экзотермического схватывания цемента. Неправильное отверждение может привести к образованию накипи , снижению прочности, плохой стойкости к истиранию и растрескиванию .
В период затвердевания бетон идеально поддерживается при контролируемой температуре и влажности. Чтобы обеспечить полную гидратацию во время затвердевания, бетонные плиты часто опрыскивают «отверждающими составами», которые создают водоудерживающую пленку на бетоне. Типичные пленки изготавливаются из воска или родственных ему гидрофобных соединений. После того, как бетон достаточно затвердеет, пленку можно отделить от бетона при обычном использовании. [75]
Традиционные условия отверждения включают опрыскивание или обливание бетонной поверхности водой. На соседнем рисунке показан один из многих способов достижения этой цели: погружение бетона в воду и его упаковка в полиэтилен для предотвращения обезвоживания. Дополнительные распространенные методы отверждения включают влажную мешковину и полиэтиленовую пленку, закрывающую свежий бетон.
Для более прочных применений к бетону можно применить методы ускоренного отверждения . Распространенный метод заключается в нагреве залитого бетона паром, который служит как для поддержания его влажности, так и для повышения температуры, чтобы процесс гидратации протекал быстрее и тщательнее.
Асфальтобетон (обычно называемый асфальтом , [76] асфальтовым покрытием или тротуаром в Северной Америке, а также асфальтовым покрытием , битумным щебнем или рулонным асфальтом в Великобритании и Ирландии ) представляет собой композиционный материал, обычно используемый для покрытия дорог , парковок , аэропортов , а также ядра набережных плотин . [77] Асфальтовые смеси используются в дорожном строительстве с начала ХХ века. [78] Он состоит из минерального заполнителя, связанного асфальтом , уложенного слоями и уплотненного. Этот процесс был усовершенствован и усовершенствован бельгийским изобретателем и иммигрантом из США Эдвардом Де Смедтом . [79]
Термины «асфальт (или асфальтобетон ) » , «битуминозно-асфальтобетон » и «битумная смесь» обычно используются только в инженерно -строительной документации, в которой бетон определяется как любой композиционный материал, состоящий из минерального заполнителя, склеенного связующим. Аббревиатура AC иногда используется для асфальтобетона , но также может обозначать содержание асфальта или асфальтовое вяжущее , имея в виду жидкую асфальтовую часть композитного материала.
Бетоны, обогащенные графеном, представляют собой стандартные конструкции бетонных смесей, за исключением того, что во время процесса смешивания или производства цемента добавляется небольшое количество химически модифицированного графена (обычно <0,5% по весу) . [80] [81] Эти улучшенные графеновые бетоны разработаны с учетом конкретных применений.
Такие бактерии, как Bacillus Pasteurii , Bacillus pseudofirmus , Bacillus cohnii , Sporosarcina Pasteuri и Arthrobacter Crystallopoietes, увеличивают прочность бетона на сжатие за счет своей биомассы. Однако некоторые формы бактерий также могут разрушать бетон. [82] Bacillus sp. КТ-5. может снизить коррозию арматуры в железобетоне до четырех раз. Sporosarcina Pasteurii снижает проницаемость воды и хлоридов. B. Pasteurii повышает устойчивость к кислоте. [83] Bacillus Pasteurii и B. sphaericuscan вызывают осаждение карбоната кальция на поверхности трещин, увеличивая прочность на сжатие. [84]
Нанобетон (также пишется «нанобетон» или «нанобетон») — это класс материалов, который содержит частицы портландцемента размером не более 100 мкм [85] и частицы кремнезема размером не более 500 мкм, которые заполняют пустоты, в противном случае это произошло бы в обычном бетоне, тем самым существенно увеличивая прочность материала. [ нужна цитация ] Он широко используется в пешеходных и автодорожных мостах, где требуется высокая прочность на изгиб и сжатие. [84]
Водопроницаемый бетон представляет собой смесь специально отобранного крупного заполнителя, цемента, воды и мелких заполнителей, которые практически отсутствуют. Этот бетон также известен как «бетон без мелких частиц» или пористый бетон. Смешивание ингредиентов в тщательно контролируемом процессе создает пасту, которая покрывает и связывает частицы заполнителя. Затвердевший бетон содержит взаимосвязанные воздушные пустоты, общее количество которых составляет примерно от 15 до 25 процентов. Вода проходит через пустоты в тротуаре в почву под ним. Воздухововлекающие добавки часто используются в условиях замерзания и оттаивания, чтобы свести к минимуму возможность повреждения от замерзания. Водопроницаемый бетон также позволяет дождевой воде просачиваться через дороги и парковки, пополняя водоносные горизонты, вместо того, чтобы способствовать стоку и наводнениям. [86]
Полимерные бетоны представляют собой смеси заполнителей и любых полимеров и могут быть армированы. Цемент дороже, чем цемент на основе извести, но полимерные бетоны, тем не менее, имеют преимущества; они обладают значительной прочностью на разрыв даже без армирования и в значительной степени непроницаемы для воды. Полимерные бетоны часто используются для ремонта и строительства других объектов, например, канализации.
Вулканический бетон заменяет вулканическую породу известняком, который обжигается с образованием клинкера. Он потребляет такое же количество энергии, но не выделяет углерод напрямую в качестве побочного продукта. [87] Вулканическая порода/пепел используются в качестве дополнительных вяжущих материалов в бетоне для улучшения устойчивости к реакции сульфата, хлорида и щелочного кремнезема за счет измельчения пор. [88] Кроме того, они, как правило, экономически эффективны по сравнению с другими заполнителями, [89] хороши для полу- и легких бетонов, [89] и хороши для тепло- и звукоизоляции. [89]
Пирокластические материалы, такие как пемза, шлак и пепел, образуются из остывающей магмы во время взрывных извержений вулканов. Их используют в качестве дополнительных вяжущих материалов (ВВМ) или в качестве заполнителей для цементов и бетонов. [90] Они широко использовались с древних времен для производства строительных материалов. Например, пемза и другие вулканические стекла добавлялись 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 отиумных вилл Рима. Неаполитанский залив в Италии. [91]
Отходы света представляют собой форму модифицированного полимером бетона. Специфическая полимерная добавка позволяет заменить все традиционные заполнители (гравий, песок, камень) любой смесью твердых отходов с зернистостью 3–10 мм для формирования низкопрочного на сжатие (3–20 Н/мм) материала. 2 ) изделие [92] для дорожного и строительного строительства. В одном кубометре отходов легкого бетона содержится 1,1–1,3 м 3 измельченных отходов и никаких других заполнителей.
Серобетон — это специальный бетон, в котором в качестве связующего используется сера и который не требует цемента или воды.
Бетон имеет относительно высокую прочность на сжатие , но гораздо меньшую прочность на растяжение . [93] 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 растрескивания матрицы. Бетон имеет очень низкий коэффициент теплового расширения и сжимается по мере созревания. Все бетонные конструкции в той или иной степени растрескиваются из-за усадки и растяжения. Бетон, подвергающийся длительному воздействию сил, склонен к ползучести .
Могут быть проведены испытания, чтобы убедиться, что свойства бетона соответствуют спецификациям для применения.
Ингредиенты 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 - можно использовать, когда бетон должен быть легким. [94] Легкий бетон часто получают путем добавления воздуха, пены или легких заполнителей, с побочным эффектом снижения прочности. Для большинства повседневных применений часто используется бетон с давлением от 20 до 32 МПа (от 2900 до 4600 фунтов на квадратный дюйм). Бетон с давлением 40 МПа (5800 фунтов на квадратный дюйм) коммерчески доступен как более прочный, хотя и более дорогой вариант. Бетон более высокой прочности часто используется для крупных гражданских проектов. [95] 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 прочностью 80 МПа (11 600 фунтов на квадратный дюйм) или более, чтобы размер колонн был небольшим. В мостах могут использоваться длинные балки из высокопрочного бетона, чтобы уменьшить количество необходимых пролетов. [96] [97] Иногда для других структурных нужд может потребоваться высокопрочный бетон. Если конструкция должна быть очень жесткой, можно использовать бетон очень высокой прочности, даже намного прочнее, чем требуется для выдерживания эксплуатационных нагрузок. По этим причинам прочность до 130 МПа (18 900 фунтов на квадратный дюйм) использовалась в коммерческих целях. [96]
На цемент, производимый для изготовления бетона, приходится около 8% мировых выбросов CO 2 в год (по сравнению, например , с мировой авиацией, где этот показатель составляет 1,9%). [98] [99] Два крупнейших источника CO 2 образуются в процессе производства цемента, возникая в результате (1) реакции декарбонизации известняка в цементной печи (T ≈ 950 °C) и (2) в результате сжигания ископаемого топлива для достижения температуры спекания (T ≈ 1450 °C) цементного клинкера в печи. Энергия, необходимая для добычи, дробления и смешивания сырья ( строительных заполнителей , используемых при производстве бетона, а также известняка и глины, питающих цементную печь ), меньше. Потребность в энергии для транспортировки товарного бетона также ниже, поскольку он производится недалеко от строительной площадки из местных ресурсов, обычно производимых в пределах 100 километров от строительной площадки. [100] Таким образом , общая воплощенная энергия бетона составляет примерно от 1 до 1,5 мегаджоулей на килограмм, что ниже, чем у многих конструкционных и строительных материалов. [101]
После укладки бетон обеспечивает высокую энергоэффективность на протяжении всего срока службы здания. [102] Бетонные стены пропускают воздух гораздо меньше, чем стены из дерева. [103] Утечка воздуха является причиной значительной доли потерь энергии в доме. Тепломассовые свойства бетона повышают эффективность как жилых, так и коммерческих зданий. Сохраняя и высвобождая энергию, необходимую для нагрева или охлаждения, тепловая масса бетона обеспечивает круглогодичные преимущества, уменьшая колебания температуры внутри и минимизируя затраты на отопление и охлаждение. [104] В то время как изоляция снижает потери энергии через ограждающие конструкции 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) представляют собой полые блоки или панели, изготовленные из изоляционного пенопласта или растра , которые складываются друг на друга, придавая форму стенам здания, а затем заполняются железобетоном для создания конструкции.
.JPG/1280px-Boston_City_Hall_-_Boston,_MA_-_DSC04704_(cropped).JPG)
Бетонные здания более устойчивы к огню, чем здания, построенные с использованием стальных каркасов, поскольку бетон имеет меньшую теплопроводность, чем сталь, и, следовательно, может прослужить дольше при тех же условиях пожара. Бетон иногда используется в качестве противопожарной защиты стальных каркасов с тем же эффектом, что и выше. Бетон в качестве противопожарного щита, например Fondu fyre , также может использоваться в экстремальных условиях, например, на стартовой площадке ракет.
Варианты негорючего строительства включают полы, потолки и крыши из монолитного и многопустотного сборного железобетона. Для стен дополнительными вариантами являются технология бетонной кладки и изоляционные бетонные опалубки (ICF). ICF представляют собой полые блоки или панели из огнестойкого изоляционного пенопласта, которые укладываются друг на друга, придавая форму стен здания, а затем заполняются железобетоном для создания конструкции.
Бетон также обеспечивает хорошую устойчивость к внешним силам, таким как сильный ветер, ураганы и торнадо, благодаря своей боковой жесткости, что приводит к минимальному горизонтальному перемещению. Однако эта жесткость может работать против определенных типов бетонных конструкций, особенно там, где требуется относительно более гибкая конструкция, чтобы противостоять более экстремальным нагрузкам.
Как обсуждалось выше, бетон очень силен при сжатии, но слаб при растяжении. Более сильные землетрясения могут создавать очень большие сдвиговые 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 разрушиться во время сильного землетрясения. Неармированные каменные конструкции представляют собой один из крупнейших рисков землетрясений в мире. [105] Эти риски можно снизить за счет сейсмической модернизации зданий, подверженных риску (например, школьных зданий в Стамбуле, Турция). [106]
.jpg/1280px-Buffalo_City_Court_Building,_1971-74,_Pfohl,_Roberts_and_Biggie_(8448022295).jpg)
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 длительный срок службы. [107] Бетон используется больше, чем любой другой искусственный материал в мире. [108] По состоянию на 2006 год ежегодно производится около 7,5 миллиардов кубических метров бетона, что составляет более одного кубического метра на каждого жителя Земли. [109]
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. Вайс использовал сталь в качестве арматуры. Бетон — относительно хрупкий материал, прочный при сжатии, но менее прочный при растяжении. Обычный неармированный бетон непригоден для многих конструкций, поскольку он относительно плохо выдерживает напряжения, вызванные вибрациями, ветровыми нагрузками и т. д. Следовательно, чтобы увеличить его общую прочность, стальные стержни, проволока, сетка или кабели могут быть заделаны в бетон перед его схватыванием. Эта арматура, часто известная как арматура, выдерживает растягивающие усилия. [111]
Железобетон (ЖБ) — 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 составляющими материалами почти всегда являются бетон и сталь. Эти два материала образуют прочную связь друг с другом и способны противостоять различным приложенным силам, эффективно действуя как единый структурный элемент. [112]
Железобетон может быть сборным или монолитным (на месте) бетоном и используется в широком спектре применений, таких как; Плитные, стеновые, балочные, колонные, фундаментные и каркасные конструкции. Армирование обычно размещается в тех участках бетона, которые могут подвергаться напряжениям, например, в нижней части балок. Обычно имеется покрытие толщиной не менее 50 мм как над, так и под стальной арматурой, чтобы противостоять растрескиванию и коррозии, которые могут привести к нестабильности конструкции. [111] Другие типы неметаллической арматуры, такие как фибробетон, используются для специализированных применений, преимущественно в качестве средства борьбы с растрескиванием. [112]
Сборный железобетон – это бетон, который отливается в одном месте для использования в другом месте и является подвижным материалом. Большая часть производства сборных железобетонных изделий осуществляется специализированными поставщиками, хотя в некоторых случаях из-за экономических и географических факторов, масштаба продукции или сложности доступа элементы отливаются на строительной площадке или рядом с ней. [113] Сборный железобетон предлагает значительные преимущества, поскольку он осуществляется в контролируемой среде, защищенной от непогоды, но недостатком этого является вклад в выбросы парниковых газов при транспортировке на строительную площадку. [112]
Преимущества, которых можно достичь при использовании сборного железобетона: [113]
Из-за экзотермической химической реакции цемента во время укладки большие бетонные конструкции, такие как плотины , судоходные шлюзы , большие матовые фундаменты и большие волнорезы , выделяют избыточное тепло во время гидратации и связанного с этим расширения. Чтобы смягчить эти эффекты, во время строительства обычно применяется последующее охлаждение [114] . В одном из первых примеров на плотине Гувера использовалась сеть труб между вертикальными укладками бетона для циркуляции охлаждающей воды во время процесса отверждения, чтобы избежать разрушительного перегрева. Подобные системы используются до сих пор; В зависимости от объема заливки, используемой бетонной смеси и температуры окружающего воздуха процесс охлаждения может длиться в течение многих месяцев после укладки бетона. Различные методы также используются для предварительного охлаждения бетонной смеси в монолитных бетонных конструкциях. [114]
Другой подход к конструкциям из массивного бетона, который сводит к минимуму побочные термические продукты цемента, - это использование бетона, уплотняемого роликами , в котором используется сухая смесь, требующая гораздо меньшего охлаждения, чем при обычном влажном укладке. Он наносится толстыми слоями в виде полусухого материала, а затем уплотняется валками в плотную, прочную массу.
Необработанные бетонные поверхности имеют тенденцию быть пористыми и иметь относительно неинтересный внешний вид. Для улучшения внешнего вида и защиты поверхности от пятен, проникновения воды и замерзания можно применять множество отделочных материалов.
Примеры улучшенного внешнего вида включают штампованный бетон , при котором влажный бетон имеет на поверхности рисунок, создающий эффект мощеной, мощеной или кирпичной плитки, и может сопровождаться окраской. Еще один популярный эффект для полов и столешниц — полированный бетон , при котором бетон оптически полируется алмазными абразивами и герметизируется полимерами или другими герметиками.
Другая отделка может быть достигнута с помощью долбления или более традиционных методов, таких как покраска или покрытие другими материалами.
Правильная обработка поверхности бетона, а значит и его характеристик, является важным этапом строительства и реконструкции архитектурных сооружений. [115]
Предварительно напряженный бетон — это разновидность железобетона, в котором во время строительства создаются сжимающие напряжения , чтобы противостоять растягивающим напряжениям, возникающим при эксплуатации. Это может значительно снизить вес балок или плит за счет лучшего распределения напряжений в конструкции и оптимального использования арматуры. Например, горизонтальная балка имеет свойство провисать. Этому препятствует предварительно напряженная арматура вдоль нижней части балки. В предварительно напряженном бетоне предварительное напряжение достигается за счет использования стальных или полимерных арматурных стержней или стержней, которые подвергаются растягивающему усилию перед заливкой, а для постнапряженного бетона - после заливки.
Используются две разные системы: [112]
Этим материалом вымощено более 55 000 миль (89 000 км) автомагистралей в США. Железобетон , предварительно напряженный бетон и сборный железобетон являются наиболее широко используемыми типами функциональных расширений бетона в наши дни. Дополнительную информацию см. в разделе Бруталистская архитектура .
После смешивания бетон обычно транспортируют к месту, где он должен стать конструкционным элементом. В зависимости от расстояний, необходимого количества и других деталей применения используются различные методы транспортировки и размещения. Большие количества часто перевозятся грузовиками, разливаются под действием силы тяжести или через треми или перекачиваются насосом по трубе. Меньшие количества можно перевозить в скипе (металлическом контейнере, который можно наклонять или открывать для высвобождения содержимого, обычно транспортируемом краном или подъемником) или тачке, или перевозить в мешках с переключателями для ручного размещения под водой.
Экстремальные погодные условия (сильная жара или холод, ветер и перепады влажности) могут существенно изменить качество бетона. Многие меры предосторожности соблюдаются при размещении в холодную погоду. [116] Низкие температуры значительно замедляют химические реакции, участвующие в гидратации цемента, тем самым влияя на набор прочности. Предотвращение замерзания является наиболее важной мерой предосторожности, поскольку образование кристаллов льда может привести к повреждению кристаллической структуры гидратированного цементного теста. Если поверхность заливки бетона изолирована от внешних температур, тепло гидратации предотвратит замерзание.
Определение размещения в холодную погоду, данное Американским институтом бетона (ACI), ACI 306, [ 117 ] :
В Канаде , где в холодное время года температура обычно намного ниже, в CSA A23.1 используются следующие критерии :
Минимальная прочность бетона перед воздействием сильного холода составляет 500 фунтов на квадратный дюйм (3,4 МПа). В стандарте CSA A 23.1 указано, что прочность на сжатие 7,0 МПа считается безопасной при воздействии замерзания.
Бетон можно укладывать и отверждать под водой. При укладке необходимо соблюдать осторожность, чтобы не допустить вымывания цемента. Методы подводного размещения включают треми , накачку, размещение скипа, ручное размещение с использованием переключаемых мешков и работу с мешками. [118]
Затирка заполнителя — это альтернативный метод формирования бетонной массы под водой, при котором формы заполняются крупным заполнителем, а пустоты затем полностью заполняются перекачиваемым раствором . [118]
Бетонные дороги более экономичны при движении, [119] обладают большей светоотражающей способностью и служат значительно дольше, чем другие покрытия, но при этом занимают гораздо меньшую долю рынка, чем другие решения для дорожного покрытия. Современные методы и методы проектирования дорожного покрытия изменили экономику бетонного покрытия, так что хорошо спроектированное и уложенное бетонное покрытие будет дешевле по первоначальным затратам 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 уменьшает необходимость в слегка наклоненной проезжей части, чтобы дождевая вода могла стекать. Отсутствие необходимости сбрасывать дождевую воду посредством использования дренажных систем также означает, что требуется меньше электроэнергии (в противном случае в системе водораспределения потребуется больше перекачки), и дождевая вода не загрязняется, поскольку она больше не смешивается с загрязненной водой. Скорее, он сразу поглощается землей. [ нужна цитата ]
Производство и использование бетона оказывает широкий спектр экологических, экономических и социальных последствий.
Шлифование бетона может привести к образованию опасной пыли . Воздействие цементной пыли может привести к таким проблемам, как силикоз , заболевание почек, раздражение кожи и тому подобные последствия. Национальный институт охраны труда в США рекомендует устанавливать на электрические бетоношлифовальные машины кожухи местной вытяжной вентиляции, чтобы контролировать распространение этой пыли. Кроме того, Управление по охране труда (OSHA) ввело более строгие правила для компаний, чьи работники регулярно контактируют с кремнеземной пылью. Обновленное правило по содержанию диоксида кремния, которое OSHA ввело в действие 23 сентября 2017 года для строительных компаний, ограничило количество пригодного для дыхания кристаллического диоксида кремния, с которым рабочие могут законно контактировать, 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. Этот срок был продлен до 23 июня 2021 года для инженерного контроля в отрасли гидроразрыва пласта. Компании, которые не соблюдают ужесточенные правила безопасности, могут столкнуться с финансовыми обвинениями и крупными штрафами. Присутствие в бетоне некоторых веществ, в том числе полезных и нежелательных добавок, может вызвать проблемы со здоровьем из-за токсичности и радиоактивности. Свежий бетон (до полного отверждения) имеет высокую щелочность, поэтому при обращении с ним необходимо использовать соответствующие защитные средства.
Основным компонентом бетона является цемент , мелкий порошок, используемый в основном для связывания песка и более крупных заполнителей в бетоне. Хотя существует множество типов цемента, наиболее распространенным является « портландцемент », который производится путем смешивания клинкера с меньшими количествами других добавок, таких как гипс и молотый известняк. Производство клинкера, основного компонента цемента, является причиной большей части выбросов парниковых газов в этом секторе, включая как энергоемкие, так и технологические выбросы. [120]
Цементная промышленность является одним из трех основных производителей углекислого газа, основного парникового газа; два других — это энергетическая и транспортная отрасли. В среднем каждая тонна произведенного цемента выбрасывает в атмосферу одну тонну CO2 . Пионеры-производители цемента заявили, что достигли более низкой интенсивности выбросов углекислого газа: 590 кг эквивалента CO 2 на тонну произведенного цемента. [121] Выбросы происходят в результате процессов сжигания и кальцинирования, [122] на которые приходится примерно 40% и 60% парниковых газов соответственно. Учитывая, что цемент составляет лишь небольшую часть компонентов бетона, по оценкам, тонна бетона выделяет около 100–200 кг CO 2 . [123] [124] Ежегодно во всем мире используется более 10 миллиардов тонн бетона. [124] В ближайшие годы большие количества бетона будут по-прежнему использоваться, 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, плотин и контроля наводнений. Бетонная пыль, образующаяся при сносе зданий и стихийных бедствиях, может стать основным источником опасного загрязнения воздуха . Бетон вносит свой вклад в эффект городского острова тепла , хотя и в меньшей степени, чем асфальт .
Снижение содержания цементного клинкера может оказать положительное влияние 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 клинкера большим количеством шлака или летучей золы исследовалась на основе традиционной технологии бетона. Это может привести к потере дефицитного сырья, такого как шлак и летучая зола. Целью других исследований является эффективное использование цемента и реактивных материалов, таких как шлак и зола, в бетоне на основе модифицированного подхода к составлению смеси. [125]
Экологическое исследование показало, что содержание углерода в сборном бетонном фасаде может быть уменьшено на 50% при использовании представленного высокоэффективного бетона, армированного фиброй, вместо типичной железобетонной облицовки. [126]
Проведены исследования по коммерциализации низкоуглеродистых бетонов. Оценка жизненного цикла (LCA) низкоуглеродистого бетона была исследована по соотношениям замены измельченного гранулированного доменного шлака (GGBS) и летучей золы (FA). Потенциал глобального потепления (ПГП) GGBS снизился на 1,1 кг CO 2 экв/м 3 , а FA уменьшился на 17,3 кг CO 2 экв/м 3 при увеличении коэффициента замены минеральных примесей на 10%. В этом исследовании также сравнивались прочностные характеристики при сжатии низкоуглеродистого бетона с бинарной смесью в соответствии с коэффициентами замены и был определен применимый диапазон пропорций смешивания. [127]
Исследователи из Университета Окленда работают над использованием биоугля в бетоне, чтобы сократить выбросы углерода во время производства бетона и повысить прочность. [128]
Высокоэффективные строительные материалы будут иметь особое значение для повышения устойчивости, в том числе для защиты от наводнений и защиты критически важной инфраструктуры. Риски для инфраструктуры и городов, создаваемые экстремальными погодными явлениями, особенно серьезны для тех мест, которые подвергаются наводнениям и ураганам, а также там, где жители нуждаются в защите от экстремальных летних температур. Традиционный бетон может подвергаться деформации под воздействием влажности и более высоких концентраций атмосферного CO 2 . Несмотря на то, что бетон, вероятно, останется важным в тех случаях, когда окружающая среда является сложной, также необходимы новые, более умные и более адаптируемые материалы. [124] [129]
Бетон – превосходный материал, из которого можно построить долговечные и энергоэффективные здания. Однако даже при хорошем проектировании потребности человека меняются, и будут образовываться потенциальные отходы. [130]
Бетон может быть поврежден многими процессами, такими как расширение продуктов коррозии стальной арматуры , замерзание захваченной воды, пожар или лучистое тепло, расширение заполнителя, воздействие морской воды, бактериальная коррозия, выщелачивание, эрозия быстро текущей водой, физические повреждения и химические повреждения (от карбонизации , хлоридов, сульфатов и дистиллятной воды). [131] Микрогрибы Aspergillus alternaria и Cladosporium смогли расти на образцах бетона, используемого в качестве барьера для радиоактивных отходов в Чернобыльском реакторе; выщелачивание алюминия, железа, кальция и кремния. [132]
Бетон может считаться отходами в соответствии с решением Европейской комиссии 2014/955/ЕС о Списке отходов по кодам: 17 (отходы строительства и сноса, включая выкопанную почву из загрязненных мест) 01 (бетон, кирпич, 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). [133] 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 Великобритания вошли в тройку крупнейших загрязнителей с объемом образования строительных отходов 86 412 тыс. тонн, 68 976 и 68 732 тыс. тонн соответственно. [134]
В настоящее время в ЕС не существует критериев прекращения отходов для бетонных материалов. Однако различные отрасли предлагают альтернативы бетонным отходам и повторно используют их в качестве вторичного сырья для различных применений, включая само производство бетона. [135]
Повторное использование блоков в исходном виде или путем разрезания на более мелкие блоки оказывает еще меньше воздействия на окружающую среду; однако в настоящее время существует лишь ограниченный рынок. Улучшенные конструкции зданий, которые позволяют повторно использовать плиты и преобразовывать здания без сноса, могут увеличить это использование. Пустотелые бетонные плиты легко демонтировать, а пролет обычно постоянный, что делает их пригодными для повторного использования. [130]
Возможны и другие случаи повторного использования сборных железобетонных деталей: путем выборочного сноса такие детали можно разобрать и собрать для дальнейшего использования на других строительных площадках. Исследования показывают, что планы восстановления и перемонтажа строительных блоков (т. е. повторное использование сборного бетона) являются альтернативой такому типу строительства, который защищает ресурсы и экономит энергию. Особенно долговечные, долговечные и энергоемкие строительные материалы, такие как бетон, можно продлить в жизненном цикле за счет переработки. Сборные конструкции являются предпосылкой для конструкций, которые обязательно могут быть разобраны. В случае оптимального применения в каркасе здания экономия затрат оценивается в 26%, что является выгодным дополнением к новым методам строительства. Однако это зависит от нескольких установленных курсов. [136] Жизнеспособность этой альтернативы должна быть изучена, поскольку логистика, связанная с транспортировкой тяжелых кусков бетона, может повлиять на операцию в финансовом отношении, а также увеличить углеродный след проекта. Кроме того, постоянно меняющиеся правила строительства новых зданий во всем мире могут потребовать более высоких стандартов качества строительных элементов и препятствовать использованию старых элементов, которые могут быть классифицированы как устаревшие.
Переработка бетона становится все более распространенным методом утилизации бетонных конструкций. Когда-то бетонные обломки регулярно отправлялись на свалки для утилизации, но объем переработки увеличивается благодаря повышению осведомленности об окружающей среде, правительственным законам и экономическим выгодам.
Вопреки распространенному мнению, восстановление бетона достижимо: бетон можно измельчить и повторно использовать в качестве заполнителя в новых проектах. [130]
Переработка или восстановление бетона снижает эксплуатацию природных ресурсов и связанные с этим транспортные расходы, а также сокращает количество свалок отходов. Однако это мало влияет на сокращение выбросов парниковых газов, поскольку большая часть выбросов происходит при производстве цемента, а сам по себе цемент не может быть переработан. В настоящее время большая часть восстановленного бетона используется для дорожного основания и объектов гражданского строительства. С точки зрения устойчивости, такое относительно низкосортное использование в настоящее время обеспечивает оптимальный результат. [137]
Процесс переработки может осуществляться на месте , на мобильных установках или в специальных установках по переработке отходов. В качестве исходного материала может использоваться свежий (влажный) бетон из автобетоносмесителей, отходы производства на предприятии по производству сборных железобетонных изделий или отходы строительства и сноса. Наиболее значимым источником являются отходы сноса, предпочтительно предварительно отсортированные в результате выборочных процессов сноса. [130]
На сегодняшний день наиболее распространенным методом переработки сухого и затвердевшего бетона является дробление. Мобильные сортировщики и дробилки часто устанавливаются на строительных площадках, чтобы обеспечить возможность переработки на месте. В других ситуациях 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 мелкого материала из крупного заполнителя. [138] [130]
Хлориды и сульфаты являются нежелательными загрязнителями, возникающими из почвы и атмосферных воздействий, и могут вызвать коррозию алюминиевых и стальных конструкций. [138] Конечный продукт, заполнитель из вторичного бетона (RCA), обладает интересными свойствами, такими как: угловатая форма, более шероховатая поверхность, более низкий удельный вес (20%), более высокое водопоглощение и pH выше 11 – этот повышенный pH увеличивает риск щелочных реакций. [130]
Более низкая плотность RCA обычно повышает эффективность проекта и снижает стоимость работ – заполнители из переработанного бетона дают больший объем по весу (до 15%). [137] Физические свойства крупных 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 основании. Кроме того, его, как правило, дешевле получить, чем первичный материал. [130]
Основными коммерческими применениями конечного заполнителя из переработанного бетона являются:
Приложения, разработанные для RCA, на данный момент не являются исчерпывающими, и многие другие области применения должны быть разработаны, поскольку правила, учреждения и нормы находят способы использования отходов строительства и сноса в качестве вторичного сырья безопасным и экономичным способом. Однако, учитывая цель обеспечения кругооборота ресурсов в жизненном цикле бетона, единственным применением RCA, которое можно рассматривать как переработку бетона, является замена натуральных заполнителей в бетонных смесях. Все остальные приложения подпадают под категорию даунсайклинга . Подсчитано, что даже почти полное восстановление бетона из отходов строительства и сноса обеспечит лишь около 20% общих потребностей в заполнителе в развитом мире. [130]
Путь к цикличности выходит за рамки самой технологии 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 сокращения потребления.
Мировым рекордом по крупнейшей заливке бетона в одном проекте является плотина «Три ущелья» в провинции Хубэй, Китай, построенная корпорацией «Три ущелья». Количество бетона, использованного при строительстве плотины, оценивается в 16 миллионов кубических метров за 17 лет. Предыдущий рекорд — 12,3 млн кубометров — принадлежал гидроэлектростанции Итайпу в Бразилии. [140] [141] [142]
Мировой рекорд по перекачиванию бетона был установлен 7 августа 2009 года во время строительства гидроэлектростанции Парбати недалеко от деревни Суинд, штат Химачал-Прадеш , Индия, когда бетонная смесь была перекачана на высоту 715 м (2346 футов). [143] [144]
Плотина Полаварам в штате Андхра-Прадеш 6 января 2019 года вошла в Книгу рекордов Гиннеса , вылив 32 100 кубических метров бетона за 24 часа. [145] Мировой рекорд по самому большому непрерывно заливаемому бетонному плоту был установлен в августе 2007 года в Абу-Даби подрядной фирмой Al Habtoor-CCC Joint Venture и поставщиком бетона Unibeton Ready Mix. [146] [147] Заливка (часть фундамента башни Landmark Tower в Абу-Даби ) составила 16 000 кубических метров бетона, залитого в течение двух дней. [148] Предыдущий рекорд — 13 200 кубических метров вылито за 54 часа, несмотря на сильный тропический шторм, потребовавший накрыть площадку брезентом для продолжения работ, — был установлен в 1992 году совместными японским и южнокорейским консорциумами Hazama Corporation и Samsung C&T. Корпорация по строительству башен Петронас в Куала-Лумпуре , Малайзия . [149]
Мировой рекорд по величине самого большого бетонного пола непрерывной заливки был установлен 8 ноября 1997 года в Луисвилле , штат Кентукки, проектно-строительной фирмой EXXCEL Project Management. Монолитная укладка состояла из 225 000 квадратных футов (20 900 м 2 ) бетона, уложенного за 30 часов и доведенного до допуска по плоскостности FF 54,60 и допуску по горизонтали 43,83 FL . Это превзошло предыдущий рекорд на 50% по общему объёму и на 7,5% по общей площади. [150] [151]
Рекорд по крупнейшей непрерывной заливке бетона под водой был установлен 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, уложенного за 58,5 часов с использованием двух бетононасосов и двух специализированных бетонных заводов. После отверждения это размещение позволяет осушить перемычку площадью 50 180 квадратных футов (4 662 м 2 ) примерно на 26 футов (7,9 м) ниже уровня моря, чтобы можно было завершить строительство подоконника и монолита навигационного канала Внутренней гавани в сухой. [152]
{{cite book}}: CS1 maint: DOI inactive as of January 2024 (link)
СМИ, связанные с бетоном, на Викискладе?