Бетон

Бетон (французский), искусственный строительный материал, состоящий из щебня, или гальки, или хряща, или гравия, обильно смоченных водой и смешанных затем со строительным раствором; последний состоит из цементирующего вещества, песка и воды. Бетон вследствие входящей в его состав воды имеет вначале вид сырой или пластичной массы, а затем, положенный тотчас по его изготовлении на место, твердеет в плотный, твердый и прочный монолит; это происходит под действием физических и химических процессов, которые происходят в веществах, входящих в состав бетона. — Бетон был известен еще вавилонянам, египтянам, грекам и римлянам; Китайская стена (за 214 лет до Рождества Христова) построена главным образом из бетона; в Мексике найдены бетонные фундаменты, как следы неизвестной культуры. Наибольшее распространение бетон в древности получил в приморских государствах: Карфагене, Греции и Риме. Забытый в средние века, бетон был снова введен в строительное искусство в конце XVIII века. В 1796 году в Англии были получены роман-цемент и в 1824 году портланд-цемент. Изученный Вика, Михаэлисом и Шуляченко, портланд-цемент дал возможность строителям применить бетон в самых широких размерах. К входящим в состав бетона цементирующим веществам относятся, главным образом, гидравлические цементы: гидравлическая известь, пуццолана, трас, санторинская земля, роман-цемент и портланд-цемент. Однако, наибольшее, почти исключительное, применение в составе бетона имеет только лишь портланд-цемент, постоянные, определенные свойства которого могут в должной мере обеспечить необходимые качества бетона.

При помощи портланд-цемента соединяются в монолитную массу либо один песок (песчаный бетон), либо песок и искусственно или естественно измельченные прочные каменные породы (гранит, гнейс, базальт, диорит, диабаз, кварцит, твердый песчаник, твердый известняк). К естественно измельченным породам относятся: гравий и хрящ (угловатые) и галька (округлая); а к искусственно измельченным породам относится щебень (битый камень). Наибольшие размеры гравия и щебенки — 60 мм. Битый щебень приготовляется либо вручную, либо дезинтеграторами (дробилками) механическим путем. В неответственных частях построек применяется иногда и кирпичный щебень и шлаки. Гравий, хрящ, галька, щебень должны быть промыты водой, прогрохочены и не содержать битой мелочи, земли, глины и органических примесей. Песок должен быть чистый, твердый, без землистых, глинистых и органических примесей. Размеры песка могут быть: от 5 до 2 мм — крупные, от 2 до 0,5 мм — средние и мельче 0,5 мм — мелкие пески; мелкие пески для бетона хуже. В некоторых случаях песок и гравий особо не разделяются, а к цементу примешиваются совместно; эта примесь называется тогда балластом.

При отсутствии на месте хороших, чистых песков и гравия, можно получать их путем промывки особыми машинами; одна из таковых, пескомойка инженеров Хмелева-Бочарова, применялась для указанной цели с большим успехом и поставлена для промывки и сортировки песка и гравия на фильтрах Петербургского и Московского водопроводов. Вода для бетона должна быть чистая, нежесткая, без органических жидкостей, без растворенных в ней солей; морская вода, однако, применяется. Портланд-цемент должен, главным образом, обладать постоянством объема (проба — лепешкой в воде и в воздушной и паровой бане); лепешка должна после пробы сохраниться без трещин и искривлений. Кроме этого испытания портланд-цемент подвергается и должен удовлетворять еще всем испытаниям, указанным в нормальных технических условиях по его испытанию и приемке.

Пустот в песке заключается от 30% до 50%, а в щебне — от 33% до 50%; в смешанном балласте разных размеров % пустот гораздо меньше. Задача при составлении бетона главным образом сводится к заполнению пустот в песке портланд-цементом, а в щебне раствором, состоящим из песка и цемента. В зависимости от степени заполнения пустот в песке и в щебне бетон классифицируется, согласно профессору Федоровичу (принято на XIII цементно-бетонном съезде 1910 года в Петербурге), на бетоны жирные и тощие и бетоны плотные и пористые. В жирных бетонах заполнены цементом все пустоты песка, в тощих бетонах часть пустоты песка остается не заполнено; в плотных бетонах заполнены раствором все пустоты щебня, в пористых бетонах часть пустот щебня остается не заполнено. Кроме того, могут быть различаемы бетоны жирные-плотные, жирные-пористые, тощие-плотные и тощие-пористые. При назначении дозировки бетона для каких-либо материалов, необходимо опытным путем определить в них % пустот и иметь еще кроме того в виду указания Диккерлофа, что в бетоне должен быть положен добавок раствора в 15%. При упомянутых %% пустот, а равно 15% добавки, применяются составы:

1:2:4 . . . . . . . жирный-плотный бетон.

1:2:6. . . . . . . жирный-пористый бетон.

1:3:6. . . . . . .  тощий-плотный бетон.

1:3:8. . . . . . .  тощий-пористый бетон.

Цифра 1 означает здесь один объем портланд-цемента, второй ряд цифр объем песка, третий ряд — объем щебня или гравия. Для железобетона, в котором часть бетона как бы замещается железом, берут несколько иные соотношения, с меньшим содержанием песка и гравия: от 1:1:2 до 1:2:4. Для железобетона берут щебень меньших размеров — до 20 мм. Вес кубического метра в расчеты вводится: для бетона — 2 200 кг и железобетона — 2 400 кг. Отмеривание всех составных частей бетона большей частью производится по объемам. Иногда отмеривают по объемам только песок и гравий, а цемент берут по весу, принимая, что один кубический метр цемента средней рыхлости весит 1 400 кг. Дозированные составные части бетона перемешиваются различно: либо смешивают сначала цемент с песком, а затем добавляют щебень, либо смешивают сначала песок с гравием, а затем добавляют цемент. Песок должен быть сухим, а щебень и гравий мокрые; при смешивании добавляется вода. Иногда смесь цемента с песком смачивается водой, а затем добавляется мокрый щебень. Правило Вика — густой раствор и мокрый щебень. Само перемешивание происходит либо вручную на деревянном полке, либо машинами (бетоньерки); эти последние бывают различных конструкций, но главным образом двух систем — либо наполнение, перемешивание и опорожнение бетоньерки чередуется (машины периодического действия); либо работа происходит непрерывно (машины непрерывного действия). Во всяком случае, бетон должен быть очень тщательно перемешан. Многие строители предпочитают более дорогое и более медленное ручное перемешивание, находя, что при перемешивании вручную бетон получается однороднее. Выход бетона, то есть полученный объем бетона в деле, составляет около 65% суммы всех объемов составных частей бетона.

Положение бетона на место зависит от того, куда идет бетон: на воздушные, подводные или железобетонные работы. При воздушных работах бетон укладывается слоями примерно до 200 м и трамбуется деревянными или металлическими трамбовками весом до 12 кг, до приобретения пластичного вида; при этом цементная жидкость выступает на поверхности бетона. Для монолитности бетонных построек желательно производить работы без перерыва; в случае перерыва в работе необходимо при ее возобновлении обновлять поверхность затвердевшего бетона граблями, жестким тупым веником (щеткой), обмывать водой и только после этого класть бетон далее. При перерывах в работах оставшийся и неположенный в дело бетон необходимо выбрасывать, но никак не применять его по его затвердевании. В жаркую и сухую погоду должно смачивать положенный на место бетон водой и закрывать его. Для воздушных бетонных работ устраивают стенки, опалубку и формы из дерева или железа. При подводных бетонных работах применяют деревянные или железные трубки и ящики с откидывающимся дном, при помощи которых бетон проходит слой воды до места, не размываясь. Под водой бетон укатывается тяжелыми валками. При железобетонных работах устраивают прочные и жесткие формы и размещают в них надлежащим образом определенное расчетом железо и укладывают бетон, как в воздушных работах, особенно заботясь, чтобы все промежутки между стенками формы и железом были заполнены бетоном. «Раскружаливание» и снятие форм происходит не ранее 28 дней после конца работ по укладке бетона.

Свойства бетона заключаются в следующем: затвердевший бетон не вполне подчиняется закону Гука; для него, как и для чугуна, с возрастанием напряжения величина модуля упругости уменьшается. При расчетах принимают, что модуль упругости — сжатию E_d = 140 000 кг на кв. см и растяжению E_z = 56 000 кг на кв. см. Коэффициент линейного расширения бетона от температуры на 1°С принимается равным 0.0000135. Коэффициент крепости бетона сжатию (временное сопротивление сжатию) через 28 дней должно быть не менее 150 кг на кв. см. Коэффициент крепости растяжения K_z и скалыванию K_s составляют от коэффициента крепости сжатию К части: K_z = ¹/₁₀К и K_s — ¹/₇К. Вообще бетон хорошо сопротивляется сжатию и плохо растяжению и скалыванию, поэтому в конструкциях различается бетон главным образом в сжатых частях; в частях растянутых и подверженных скалыванию размещается еще железо для воспринятия этих напряжений. Высокая температура действует на бетон незначительно. По опытам Воольсона жара до 1 200° понижает крепость бетона на 28%. Произведенные опыты показывают, что бетон толщиной 25 мм вполне предохраняют железо от огня. Таким образом, можно заключить, что бетон вполне огнестоек. Влияние на бетон мороза тоже не ощутительно; чем более в бетоне поглощено воды при гидратации цемента, тем бетон более морозостоек. Водопроницаемость бетона зависит от состава и возраста его. Обычно, даже очень прочные бетоны водонепроницаемы. Для уничтожения этого недостатка Büssing-Schuman рекомендуют добавлять в бетон воздушную известь от ¹/₂ до 2 весовых частей на 1 весовую часть цемента. Водонепроницаемость бетона достигается еще покрытием его жирной цементной штукатуркой, тщательно затертой штукатурными железными терками. Кроме того, можно для той же цели покрывать поверхность бетона флуатами, тесталином, аквабаром, квасцами с мылом. Изменение объема (не одно и то же, что непостоянство объема) бетона зависит от химических и физических процессов, происходящих в бетоне. При твердении на воздухе бетон садится линейно на 0,0004 в среднем, а при твердении в воде бетон расширяется линейно на 0,000035 в среднем. Коэффициент теплопроводности бетона зависит от находящегося в нем цемента; чем более в нем цемента, тем более и теплопроводность бетона. Коэффициент внутренней теплопроводности бетона по данным профессора Н. Н. Георгиевского колеблется от 0,495 до 0,587 кг час метр на 1°С. Воздухопроницаемость бетона выражается коэффициентами: А = 0,00038, В = 15,5, С = 0, где А коэффициент проницаемости — он показывает количество воздуха в литрах, проходящего через стену толщиной в 1 метр, площадью в 1 кв. метр при разности давлений на разные стороны стены в 1 кг на кв. см; В — количество воздуха в литрах, проходящего при тех же условиях при разности давления в 108 кг на кв. см и при сухом бетоне; С — количество воздуха при всех последних условиях, но при мокром бетоне.

Бетон подвергается испытаниям на сжатие, растяжение и скалывание; главным, однако, образом на сжатие. Для этого из укладываемого в дело бетона приготовляют кубы 20.20.20 или 30.30.30 см. По прошествии 28 и 42 дней эти кубы подвергаются раздроблению в особых прессах, сила которых доходит до 300-500 атмосфер. Испытания производятся по преимуществу в официальных лабораториях (институт путей сообщения в Санкт-Петербурге; лаборатории училища живописи, зодчества и ваяния, инженерного училища и технического училища в Москве; в лаборатории Магистрата города Варшавы; испытательная станция Новочеркасского политехникума и др.).

Бетон и железобетон находят большое применение в строительном деле: подводные работы, фундаменты, мосты, сваи, заводские дымовые трубы, целые грандиозные здания возводятся из этого искусственного материала. Из бетона выделываются канализационные трубы и пустотелые бетоно-камни; эти последние составляют особую отрасль дешевого огнестойкого материала для постройки жилых зданий. Развитие железобетона дало особо большое применение бетона в постройках. Железобетон, этот послушный в руках строителя материал, предназначается для выполнения, как любых отдельных частей зданий, почти недоступных для выполнения из других материалов, так и для производства целых, самых разнообразных сложных конструкций и сооружений.

Для бетона особых норм не имеется, но для железобетона установлены: «Технические условия для железобетонных сооружений, утвержденные министерством путей сообщения 30 мая 1908 года»; «Нормы расчета прочности железобетонных сооружений», принятые русскими цементобетонными съездами 1908 и 1910 годов и находящиеся на утверждении министерства путей сообщения; «Инструкции к нормам для расчета прочности железобетонных сооружений», разработанные в 1910 году при ближайшем участии бетонного отдела Московского отделения Императорского Русского Технического Общества и находящиеся на утверждении в министерстве путей сообщения.

Н. Лахтин.