Вряд ли кто-нибудь станет отрицать, что бетон – “самый строительный” из всех строительных материалов. Он создан специально для нужд строительства, производится исключительно для целей строительства, и каждый миг его “биографии” и как исторического феномена, и как конкретного реального продукта тесно связан со строительством и рассматривается именно в рамках строительства.
Его нет необходимости представлять: кто не видел бетономешалки, сырого, еще не уложенного бетона и бетона, уже отвердевшего, принявшего соответствующую конструктивную форму? Его состав неимоверно прост – цемент, вода и заполнители типа песка и гравия, Вода вступает в химические реакции с цементом и образует новую структуру – так называемый цементный камень, которая связывает в единую массу инертные материалы. Так что качества полученного бетона в наибольшей степени обусловлены свойствами цементного камня и инертных материалов. В наибольшей степени, но не полностью, поскольку свойства бетона зависят также от метода приготовления, укладки и уплотнения смеси, а также от условий, в которых происходит ее твердение. Существует еще много других факторов, влияющих на качество бетона, но здесь теория и практика строительства пока не могут дать исчерпывающего объяснения.
Особенно важным является количество и качество (марка) используемого цемента, выбор которого зависит в конечном счете от характера конструкции. Это может быть пуццолановый портландцемент, шлако-портландцемент или глиноземистый портландцемент, однако чаще всего применяется обычный портландцемент марки не менее 300. Для прочности и деформируемости бетона особое значение имеет так называемое водоцементное отношение, т. е, соотношение весовых частей воды и цемента в 1 мЗ бетона. Чтобы произошла химическая реакция между водой и цементом, достаточно, если это отношение будет равно 0,2-0,4. На практике при необходимости получения более подвижной пластичной смеси для удобства ее укладывания берутся водоцементные отношения до 0,8. Очевидно, что после схватывания в бетоне остается значительное количество лишней воды. Лишь малая часть воды оказывается химически связанной с зернами цемента, тогда как основная ее часть остается в капиллярах бетона к постепенно испаряется в течение всего продолжительного периода отвердевания. Бетон “ссыхается”(дает усадку) подобно дереву.
Усадка – это весьма неприятное свойство. Открытые поверхности, особенно в случае крупногабаритных элементов, в стремлении сжаться растрескиваются, в результате чего уменьшается прочность бетона на растяжение. Но если даже дело не доходит до появления трещин, налицо начальные растягивающие напряжения, которые вскоре увеличиваются под влиянием какого-либо другого фактора. Таким фактором может быть, например, изменение температуры.
В отличие от дерева бетон, так же как и сталь, имеет довольно большой коэффициент температурного расширения – 0,001%. Это значит, что при изменении температуры на 1°С деформации материала составляют 0,01 мм на 1 м его длины. При понижении температуры, когда тела стремятся сжаться, а этому что-либо препятствует, в элементах снова возникают опасные растягивающие напряжения.
Усадка и температурные деформации по ряду причин сильнее всего отражаются на длине элементов или конструкций. Но если природа температурных деформаций более или менее ясна, то с усадкой дело обстоит гораздо сложнее. Она наиболее сильно проявляется в первые дни и месяцы после укладывания бетона и постепенно ослабевает приблизительно в течение года. Об общем характере этого явления дает представление средняя величина деформаций (при средней влажности воздуха и средней температуре), равная приблизительно 0,03%. Если бы подобное свойство имела сталь, оно привело бы к возникновению начальных напряжений в 630 кг/см^! А эта величина составляет 1/3 расчетного сопротивления арматурной стали класса А-1! К счастью (или к сожалению), модуль “упругости” (почему здесь кавычки, мы увидим позже) у бетона значительно меньше и соответственно меньше напряжения усадки. Но во всяком случае этих напряжений достаточно, чтобы бетон растрескался. Предельная деформация бетона при растяжении (в среднем 0,015%) вдвое меньше, чем при усадке, и очевидно, что образование трещин, как правило, неизбежно.
Разнообразие видов бетона огромно. Начав со сверхтяжелых бетонов, применяемых для противорадиационной защиты, мы перейдем к обычным тяжелым (в 2,5 раза тяжелее воды) и наконец достигнем области легких бетонов. Последние благодаря легким естественным (туф, пемза) и искусственным (керамзит, перлит, аглопорит, термозит) заполнителям имеют относительно небольшую массу, а некоторые из них даже легче воды. Именно к ним обращаются апологеты железобетона, когда их упрекают, что бетон как строительный материал слишком тяжел. Поскольку легкие бетоны изучены еще довольно слабо и сравнительно мало применяются, подобные упреки вполне обоснованны, но, вероятно, в недалеком будущем они уже не будут столь справедливы. Чтобы закончить разговор о массе бетона, добавим, что существуют и сверхлегкие его разновидности (до 500 кг/мЗ), которые, однако, не представляют интереса как конструкционные материалы.
Весьма разнообразны бетоны и с точки зрения специальных требований к ним. Они могут отличаться повышенной водонепроницаемостью, морозостойкостью или стойкостью к воздействию агрессивных сред. Подобной гаммы качественных характеристик нет ни у сталей, ни у пород древесины. Бетон принципиально отличается от стали и дерева значительной пожароустойчивостью. Некоторые специальные марки бетона могут длительное время выдерживать температуры свыше 1000°С!
В последние годы начали применяться так называемые полимербетоны, для которых в качестве добавок используются различные виды термопластов — поливинилхлорид, поливинилацетат и др. Благодаря этому значительно повышается антикоррозионная стойкость бетона, его ударная прочность и сопротивление истиранию, что значительно расширяет область применения этого строительного материала, который и без того наиболее распространен. Со всей определенностью можно сказать, что бетон, и прежде всего армированный бетон (железобетон), — это материал XX в.
Однако сразу же в противовес сказанному выше отметим недостатки бетона как материала для строительных конструкций. Так, например, при выполнении монолитных железобетонных конструкций для опалубки требуется большое количество лесоматериалов, строительство не только дорожает, но и удлиняются его сроки. Этот недостаток преодолевается при строительстве из сборного железобетона. Однако такая форма строительства, естественная и неизбежная для стали и дерева, для железобетона не столь естественна. Вообще говоря, “шлягером” бетона являются классические монолитные конструкции.
Производство бетона является не таким простым, как может показаться на первый взгляд; оно включает изготовление опалубки, армирование, укладку бетонной смеси (с вибрированием), вообще весь процесс строительства здания или сооружения. Кроме того, чтобы получаемые результаты отвечали требованиям сегодняшнего дня, необходимы квалифицированные кадры – бетонщики, плотники-опалубщики, арматурщики, сварщики. И все это ради материала, отличающегося низкой шумо-и теплоизоляционной способностью. Ремонт и усиление железобетонных конструкций в случае их повреждения или аварий в процессе эксплуатации связаны со значительными трудностями и довольно большими затратами времени.
Но есть нечто особенно неприятное. Речь идет о малой прочности самого бетона на растяжение, которая почти в 10 раз ниже, чем его прочность на сжатие. Вследствие этого бетон склонен к трещинообразованию, представляющему большую сложность для человечества. С одной из причин образования трещин – усадкой – мы уже познакомились. Но, к сожалению, это еще не все. Обычный железобетон, как мы потом убедимся, нормально работает при наличии трещин; они (к сожалению) неизбежны при напряжениях и деформациях в бетоне. Но трещины крайне негативно отражаются на общей жесткости элемента и конструкции в целом, не говоря уже о том, что существует опасность коррозии находящейся в бетоне стали.
Из этого положения есть выход, который называется “предварительно напряженный железобетон” (о нем мы узнаем немного позже). Можно сказать, что ни один из недостатков бетона и железобетона нельзя назвать вечным и неустранимым, что само по себе большой плюс этого материала. В сущности, нам уже пора перейти к его плюсам
