Бетон когда изобрели: кто придумал и когда, история изобретения

Фундамент цивилизации: История бетона

Старая барабанная печь для обжига цементного клинкера

Бетон как строительный материал восстал из пепла в 1824 году, когда Джозеф Аспдин изобрёл портландцемент (от лат. caementum — щебень, битый камень, и названия английского острова Портленд, где добывали природный камень, похожий на отвердевший портландцемент). Согласно рецептуре Аспдина, клинкер и гипс измельчаются (СaSO
₄•2H₂O) до порошкообразного состояния. Клинкер — это смесь веществ, полученная спеканием известняка (преимущественно CaCO₃) и глины (смесь Al₂O₃, воды и SiO₂) при температуре выше 1400 °С.

Как производят цемент?

1. Известняк, сланец, кремнезём и оксиды железа проходят через дробилку, измельчающую камни на мелкие куски.

2. Вращающаяся печь непрерывно смешивает ингредиенты и подвергает их обжигу при 1400 °С.

3. Клинкер измельчается в порошок и смешивается с гипсом.

4. Цемент упаковывается.

Сегодня масштабы производства бетона настолько велики, что ежегодно этот процесс формирует 7% выбросов СО
₂ в мире. Полученные после обжига гранулы клинкера на 97% состоят из оксидов кальция, кремния, алюминия и железа; оставшаяся часть приходится на оксиды марганца, титана, хрома и других элементов. Эту смесь вяжущих веществ тщательно измельчают и смешивают со вторым важным компонентом портландцемента — гипсом, отвечающим за скорость схватывания раствора, то есть за превращение его в твёрдый искусственный камень.

Изображение со сканирующего электронного микроскопа: пластины гидроксида кальция и иглы эттрингита

А что же происходит, когда в цемент добавляют воду? Безводные минералы в составе цемента активно взаимодействуют с водой. Один из основных процессов можно представить в виде уравнения:

3CaO Al₂O₃ + 6H₂O = 3CaO Al₂O₃ 6H₂O + 867Дж/г.

Иглообразные кристаллы CaO•Al
₂O₃•6H₂O пронизывают всю толщу цементного раствора, придавая ему прочность и твёрдость. Уравнение реакции подсказывает, что кристаллизация цементного раствора сопровождается выделением тепла, — его надо вовремя отводить, чтобы бетон получился качественным. Обычно его просто поливают водой, и это позволяет избежать главного врага искусственного камня — появления трещин.

Армирование — способ увеличения стойкости конструкции; служит для упрочнения бетона, который в силу своих свойств быстро разрушается при растяжении

Бетон выдерживает колоссальные нагрузки на сжатие, что делает его отличным материалом для фундаментов, но вот на растяжения (в том числе при изменении температуры) реагирует очень плохо. Это было главным препятствием для его использования в качестве строительного и конструкционного материала, пока в 1846 году за дело не взялся французский садовник Жозеф Монье. Он изготавливал бетонные кадки для пересадки на зиму апельсиновых деревьев в оранжереи Лувра и не понаслышке знал, как часто растрескивается и ломается бетон. Монье вставил стальные стержни в стенки кадок, и это здорово продлило срок службы материала. Сталь оказалась идеальным напарником бетона: она отлично выдерживает растяжения, но при сжатии заметно деформируется. Получившийся железобетон вписал в историю имя неизвестного доселе садовника и подарил человечеству возможность высотного строительства. 

История возникновения и использование бетона, цемента

Происхождение бетона

Много было написано о большом количестве значимых зданий Римской империи построенных с использованием «бетона» в качестве основного конструкционного материала. Многие исследователи полагают, что первое использование настоящих цементных связующих (в отличие от обычной извести, обычно используемой в древних сооружениях) произошло в южной Италии в о втором веке до нашей эры.

Особый тип вулканического пепла называемый «пуццолан», сначала использовали около Поццуоли в заливе Неаполя, он широко использовался римлянами в их цементе. Совершенно очевидно, что при строительстве Порта Aemelia, большое сооружение построенное в 193 г. до н.э., пуццолан был использован для связывания камней вместе, чтобы получить «бетон». Этот необычный пепел реагирует химически с известью и водой, укрепляясь в твердую как скала массу, даже при полном погружении в воду. Римляне использовали его для мостов, доков, ливневых стоков и водопроводов, а также для зданий.

Римский бетон

Римский бетон укладывался слоями в виде раствора вручную между камнями различных размеров. Этот раствор обкладывали глиняными камнями с обеих сторон, если это была нижняя часть строения, а для создания стен камни служили формой для «бетона». Известно, что эти кирпичи имели не конструктивное значение а использовались для облегчения строительства и, как элементы декора. Нет сомнений, что материал «пуццолан» сделал этот тип конструкций возможным, так как он был использован во всем Риме и районе Неаполя, но не встречался в северной Италии, и в других местах в Римской империи.

Большинство общественных зданий, в том числе Пантеон, и модные резиденции в Риме использовали бетонные кирпичи для возведения стен и сводов. Купол Пантеона, построенный во втором веке нашей эры, несомненно, является одним из строительных шедевров всех времен. Это очень сложная конструкция с большим количеством уменьшающих вес пустотами, нишами, и небольшими сводчатыми потолками. Строители Пантеона знали достаточно, чтобы использовать очень тяжелые элементы на уровне земли и уменьшали плотность конструкции выше в стенах и в самом куполе, чтобы уменьшить вес конструкции. Большой пролет Пантеона в 142 фута затмил маленькие предыдущие пролеты и создал эффект не меньше, чем архитектурная революции с точки зрения восприятия внутреннего пространства.

Вероятно, из-за отсутствия и недоступности пуццолана во всем мире, этот вид бетона не использовался в других местах и камне-кирпичная кладка по прежнему была доминирующим строительным материалом для большинства значительных строений в мире на протяжении многих веков. Еще один вид бетона был использован в восемнадцатом веке во Франции, где стены из оштукатуренного щебня эмитирующего каменную кладку стали модными. Франсуа Куантеро, каменщик в Лионе, искал экономичный способ создания несгораемых стен с помощью цементного раствора в сочетании с очень древней глинобитной техникой или «спрессованной землей». Глинобитная техника подразумевает использование древесной опалубки заполняемой глиной с землей или соломой с последующей утрамбовкой, но использование новых и сильных цементов сделало процесс утрамбовки ненужным. В 1824г. Джозеф Аспдин, английский каменщик, запатентовал улучшенный цемент, который он назвал Портлендским цементом, поскольку он напоминает природный камень который добывали на соседнем острове Портленд.

Считается, что Аспдин был первым, кто использовал высокие температуры для нагрева глинозема и кварцевых материалов до точки стеклования, в результате чего происходило сплавление. Цемент все еще таким же методом делается и сегодня. В девятнадцатом веке бетон был использован в Европе для зданий, в основном промышленного характера, так как этот «новый» материал не имел социальной преемственности как камень или кирпич.

Использование армирования

Существует разногласие среди исследователей, относительно первого реального использования армирования в бетоне. Скорее всего в качестве первого успешного примера был господин Лэмбот крупный землевладелец на юге Франции.

При строительстве нескольких небольших гребных лодок Жан-Луи Ламбо в начале 1850-х годов, укрепил свои лодки железными прутьями и проволочной сеткой.

У него появились планы по использованию этого материала в строительстве, поэтому он подал заявку на патент во Франции и Бельгии в 1856 году, описывая бетон следующим образом:

«улучшенный строительный материал, который будет использоваться в качестве заменителя древесины в военно-морских и архитектурных сооружениях, а также для бытовых целей, где следует избегать сырости»

В 1854 году штукатур, Уильям Б. Уилкинсон Ньюкасл-апон-Тайн, возвел небольшой двухэтажный коттедж, укрепляя бетонный пол и крышу железными прутьями и проволочным тросом, и получил патент на этот вид строительства в Англии. Он построил несколько таких конструкций и таким образом стал прародителем первых железобетонных зданий.

В 1867 году Джозеф Монье, французский садовник, получил патент на некое усиление садовых ванн, а позже запатентовал некие усиленные балки и сваи используемые для ограждения дорог и железных дорог. В последствии было доказано, что Монье никогда не знал, как Уилкинсон, сделал свое армирование, чтобы увеличить сопротивление балки.

Армирование пола

Первое широкое применение портландцементного бетона в строительстве зданий происходило под руководством французского строителя, Франсуа Куане. Он построил несколько больших домов из бетона в Англии и Франции в период 1850-1880, с первым использованием железных прутьев в полу, чтобы сохранить стены от разъезжания, а позже использовал арматуру, как изгибаемые элементы.

Первой вехой в железобетоне стала постройка американского инженера-механика, Уильяма Э. Уорда, в 1871-1875. Этот дом стоит сегодня в Порт-Честер, штат Нью-Йорк. Это стало известно благодаря усердию, с которым г-н Уорд вел все его дела, исследуя и документируя все. Он хотел надежный дом, потому что его жена ужасно боялась огня и поручил дизайн и проектирование архитектору Роберту Муку в 1870 году. Как и здание Койента, это должно было быть сделано так, чтобы напоминать каменную кладку и быть социально приемлемым решением. Г-н Уорд занимался всеми техническими и строительные вопросы сам, проводил долгосрочные нагрузочных испытания и другие эксперименты. Он использовал французское слово для бетона, «beton», а в 1883 выступил с докладом на дому к Американскому обществу инженеров-механиков, названным «Бетон в комбинации с железом в качестве строительного материала». Его аудитория, по определению, была гораздо более заинтересована в уникальных системах водоснабжения и отопительных систем, которые он проектировал, чем в железобетоне.

В 1879 году Г. А. Вайс, немецкий строитель, купил патентные права на систему Монье и стал применять железобетонные конструкции в Германии и Австрии, рекламируя это как система Вайс-Монье. Многие из этих зданий были построены также и во Франции.

Монолитная рамная конструкция

В конце девятнадцатого века происходило параллельное развитие каркасных железобетонной конструкции Г. А. Вайса в Германии / Австрии, Эрнеста Л. Рэнсома в Соединенных Штатах, и Франсуа Эннибека во Франции.

В 1870 Эрнест Л. Рэнсом был управляющим успешной компании по производству бетонных блоков как искусственного камня в Сан-Франциско. Он впервые использовал армирование в 1877 году, а в 1884 году он запатентовал систему, используя витые квадратные пруты, чтобы увеличить сцепление между бетоном и арматурой. Его крупнейшим работой на то время был Леланд Стэнфорд — музей в Стэнфордском университете, первое здание в котором была использована технология при которой бетонный наполнитель (камень) с наружи не был закрыт самим бетоном (оголен).

Он также был ответственным за ряд производственных зданий в Нью-Джерси и Пенсильвании, например, 1903-1904 строительство механического цеха Келли и Джонса в городе Гринсбург, в Соединенных Штатах.

Здание Ингалс, заметное здание в Цинциннати, было построено в 1904 году с использованием системы Рэнсома. Разработанный фирмой Элзнер и Хендерсон, это был первый бетонный небоскреб, состоящий из 16 этажей (210 футов).

По другую сторону Атлантики, Франсуа Эннебек, каменщик, оказался успешным подрядчиком в Париже, начал строить железобетонные дома в конце 1870-х. Он получил патенты во Франции и Бельгии на систему строительства Эннибека и приступил к созданию своих представительств в крупных городах. Он развивал новый метод путем проведения конференций и разработки стандартов в пределах своей собственной сети компании. Большинство его зданий (как Рэнсом) были промышленные.

Во времена подъема компании Эннибек выполнял более 1500 контрактов в год. Более чем любой другой человек, он был причиной быстрого роста железобетонных конструкций в Европе.

Бетонные купола и своды

Железобетон позволял делать здания новой формы – с тонкими стенами. В 1930 году Эдуардо Торроха, блестящий испанский инженер, разработал невысокий купол 3,5-по толщине и 150-футов шириной для рынка в Альхесирасе, используя стальные тросы для растяжки. Торроха также был автором элегантной консольной крыши стадиона в Мадридском ипподроме в 1935 году.

Мастер панельных конструкций, безусловно, был математик-инженер-архитектор Феликс Кандела испанского происхождения. Практикуя в основном в Мехико, он разработал лабораторию космических излучений, с 5/8 дюймовой толщиной крыши, для университета Мехико. Он сделал параболоидную форму свода, своим товарным знаком и, пользуясь дешевизной рабочей силы, построили много заводов и церквей в окрестностях Мехико, используя эту форму. Его наиболее ярким строением стало здание ресторана в Хочимилко, построенное в 1958 году, состоящее из шести одинаковых параболоидных сводов.

Дальнейшее использование бетона в современной архитектуре

Архитектор Ле Корбюзье всегда расходится во мнениях со своим работодателем, не желая использовать классическую дизайнерскую базу для проектирования. Ле Корбюзье чуть позже, стал очень уважаемым архитектором современной эпохи, работая почти полностью только с железобетоном. Среди его знаменитых работ такие: Вилла Савой (из панелей плоской конструкции, 1931), многоквартирные дома на Пилотэс в Нанте и Марселе (в конце 1940-х годов), Часовня Рончамп (со стенами из забетонированной каменной кладки, 1957), монастырь Ла- Туретта (1959), и правительственный комплекс на Чандигарх в Индии (1961). Больше чем его современники, Ле Корбюзье увлекался игрой естественного света, как элементом дизайна, а бетон с его разнообразной текстурой поверхности ему в этом помогал.

Фрэнк Ллойд Райт заявлял о преимуществах пластичности железобетона в монолитных строительствах, но он не воспользоваться этим до конца своей карьеры.

В 1919 году Мис ван дер Роэ предложил идею конструктивной основы в высотных зданиях с консольной плитой перекрытия, но Райт воплотил эту идею в жизнь в своей работе Башни Джонсона Воск на Расин, штат Висконсин. Весь комплекс Джонсон был признан одним из лучших творений Райта.

Высокопрочный бетон и высотные здания

Развитие высотного строительства из бетона шло медленно от момента строительства здания Ингаллс в 1904 году. Гиганты и середнячки 1930-х годов были все из стальных конструкций. Но Башня Джонсон Воск, послужил толчком для башен-близнецов Бертран Голдберг Марина-Сити, хотя это и совершенно разные масштабы. Высотка Чикаго 60story, возведен в 1962 году, ознаменовала начало использования железобетона для строительства современных небоскребов, и составила конкуренцию строениям на стальной раме. Плэйс Виктории в Монреале, построенная в 1964 году, достигла высоты 624 фута.

Бетон повышенной прочности оказался ключом к увеличению высоты зданий, поскольку они сохраняют разумный размер колонн на нижних этажах. Shell Plaza в Хьюстоне достигла 714 футов в высоту, в 1970 году. Район Чикаго, с его многочисленными запасами высококачественной летучей золы (которая помогает достичь более прочных характеристик водно/цементного состава), породил наибольшую концентрацию высотных зданий из усиленного бетона. 70-этажная башня Lake Point достигла 645 футов в 1968 году. Water Tower Place достигла 859 футов в 1973 благодаря применению пластификаторов бетона.

В 1989 году здание Шотландия Plaza в Торонто было построено до высоты 907 футов, в 1990 году еще две башни в Чикаго превысили 900 футов в высоту и есть запланированные здания еще большей высоты.

Когда изобрели бетон? | Мир вокруг нас

Люди научились делать его очень давно. Некоторые египтологи предполагают, что большая часть огромных пирамид — не что иное, как искусственный камень, древнейший бетон в истории человечества. Пирамиды Древнего Египта, огромные величественные сооружения Древнего Рима и колоссальные небоскребы из стекла и бетона создавались из одного материала. Сколько его произвели за все времена? Миллиарды тонн? Триллионы тонн?

Скажу сразу, что, хотя современные небоскребы и зовут «колоссами из стекла и бетона», их силовой каркас создают из стали. А уж потом заливают полы и стены бетоном и украшают все это стеклом. Все равно бетон, в том или ином виде, абсолютно необходимая часть современного строительства. И это верно уже много десятилетий, чтобы не сказать — веков.

Рецепт первого бетона был открыт 5−6 тысяч лет назад, когда люди обнаружили, что если сильно обжечь некоторые горные породы, смолоть их в пыль, а потом перемешать с гравием и добавить нужное количество воды, то получается вязкая масса, которая высыхает на воздухе за несколько дней, после чего получается искусственный камень. Если его залить в форму, пока он не застыл, сразу же после добавления воды и хорошего перемешивания, то получается камень нужной формы или хороший кусок стены.

Легендарный Лабиринт Древнего Египта имел бетонные стены, отлитые за 3600 лет до н.э. Из бетона сделаны древнейшие сооружения Мексики, некоторые части Великой Китайской стены, древнеримский Пантеон…

Пантеон в Риме, Италия
Фото: Depositphotos

В Древнем Риме использовался т.н. цемент-пуццолана. Залежи вяжущего вещества в Древнем Риме добывали на холмах рядом с Везувием, возле местечка Путеола. У нас слово перевели как пуццолана, хотя сами итальянцы называют его поццолана.

Лирическое отступление в тему.
Полагаете, разница между puzzo и pozzo — всего одна буква? Итальянский язык очень многолик. Слова pazzo, pezzo, puzzo и pozzo (паццо-пеццо-пуццо и поццо) отличаются всего одной буквой, но имеют совершенно различный смысл, ибо переводятся (последовательно) как — сумасшедший, кусочек, вонь и колодец. Велик и могуч итальянский язык!

Но вернемся к бетонам.

Из этого бетона-пуццолана были построены многие акведуки в Римской империи, в городах многоэтажные дома для плебса делали из бетона. Не надо вырубать в каменоломне камень и везти его за десятки или сотни километров к месту стройки. Привезти цемента-поццоланы и мелких камней, залить водой из реки, размешать как следует — и залить в форму. Через несколько дней очередная часть стены уже готова. За несколько веков на территории Империи было построено множество объектов с применением бетона-пуццоланы.

Когда Империя погибла, многие открытия оказались забыты на века. О бетоне вспомнили в XVII веке. В Англии тогда активно расширяли разнообразные портовые сооружения. И водостойкий цемент оказался очень полезен. В Англии обжигали известняк с примесями глины и получали водоустойчивую вяжущую составляющую. Такой бетон твердел, даже будучи погруженным в воду.

Известковый каменный карьер на острове Портленд, Англия
Фото: Wilson44691, ru.wikipedia.org

Век XIX был началом эпохи цемента. По всему миру строились заводы, во многих городах строились дома. Изобретались разнообразные виды цементов, был придуман железобетон — и началось…

Строительство стало намного технологичнее. Не надо выламывать в каменоломнях камни, которые потом надо обтесать, придав правильную форму, привезти их, возможно, за многие десятки километров от каменоломни на место строительства. Вместо этого можно использовать искусственный камень, затвердевающий прямо на своем месте в стене.

Или просто стена этажа, залитая за один раз, затвердевшая за сутки-двое, позволяющая через несколько дней разместить на только что созданном этаже оборудование, которое позволит залить следующий этаж. И так — этаж за этажом, неделя за неделей, растут железобетонные здания. Знай только, подвози машинами цемент, гравий, а воду можно взять в водопроводе.

М. С. Сарьян, «Рабочий поселок и цементный завод в Давалу»
Фото: artchive.ru

С начала 60-х годов СССР занимал по производству цемента первое место в мире. Сейчас Россия находится на 5 месте. А на первом месте по производству цемента находится Китай.

В наше время созданы десятки различных видов цементов.

Есть цементы, которые очень быстро схватываются и твердеют.

Есть цементы, которые водонепронецаемы и даже обладают свойствами водооталкивания.

Если цементы, устойчивые к сильно минерализованным водам.

Алсфальтоцемент покрывает улицы, дома на которых сделаны из бетона.

Пломба на зубе — цемент!

При повреждении подводной части корабля в море аварийная команда ставит на пробоину цементный пластырь, который останавливает течь, и бетонная заплатка позволяет кораблю пройти по морю большое расстояние, дойти до порта, где пробоину необходимо будет заварить.

Даже у писателей-фантастов, в далеком будущем, роботы-ремонтники ремонтируют поврежденные паропроводы или пробитую метеоритами обшивку корабля ничем иным, как «пластоцементом».

Серый порошок, вездесущий и все пачкающий при ремонте или при строительстве — незаметный, не знаменитый и незаменимый.

Может быть, нашу эпоху стоит назвать эпохой цемента. Как бы мы обходились, если бы его не было?

Что еще почитать по теме?

Изумруды и «искусственные» изумруды. Алмазы и «искусственные» алмазы. Что дороже?
Когда изобрели асфальт?
Зачем штампуют бетон?

Интересная история изобретения бетона

ЖБИ, как и монолитный железобетон, применяются сегодня повсюду при строительстве сооружений. Для возведения фундамента становятся необходимыми ЖБИ-блоки или же сваи из железобетона. Также могут применяться монолитное бетонирование или буроинъекционные сваи, свайно-ростверковые, ленточные и буронабивные фундаменты. Строительство несущих конструкций невозможно без специальных перекрытий. А лестничные марши или оконные перемычки, трубы из железобетона или дорожные плиты, колодезные кольца или коллектора? Как видно, без бетона строительство надёжного сооружения невозможно!

Когда изобрели цемент?

Впервые цемент был получен англичанином Джеймсом Паркером в 1796 году при обжиге глины с использованием извести. Тогда, как же строили наши далёкие предки? На протяжении веков эти люди использовали известь, глину или гипс, но нужны были эти материалы больше для штукатурных или кладочных работ.

А, вот, первые образцы бетона были найдены археологами в разных уголках земли. Использовали бетон уже в 7500 г. до нашей эры! И пусть, тогда возводили не огромные сооружения, а отдельные элементы зданий, бетон был незаменим. Преуспели же в этом деле римляне. Поклонники современной науки, сравнивая образцы старинного бетона и сухую смесь сегодняшнего дня, по незнанию могли бы сказать, что жалеть не о чём. Увы, это не так: бетон древних римлян не очень похож на то, что мы видим сейчас, однако, он был необычайно крепок. Так сложилось, что секрет приготовления такого бетона был утерян безвозвратно.

По тому же незнанию многие полагают, что цемент изобрёл в 1824-1825 гг. Джозеф Аспдин. Оказывается же, что наш соотечественник Егор Челиев знал о цементе ещё в 1813 году, вовсю его используя. Однако, тогда нашим людям было не до патентов на свои изобретения. Конечно, портландцемент 200-летней давности имел слегка другой состав, чем сейчас. В наши дни производство бетона подразумевает использование цемента тонкого помола с нормированным составом и различными добавками. После бетона появился ЖБИ и, наконец, железобетон, который французы применяли сначала только в искусстве, пока в 1865 г. не вырос первый дом из ЖБИ.

История бетона — InterNACHI®

Ник Громико, CMI® и Кентон Шепард

Период времени, в течение которого был впервые изобретен бетон, зависит от того, как интерпретировать термин «бетон». Древние материалы представляли собой неочищенный цемент, полученный путем дробления и обжига гипса или известняка. Известь также относится к измельченному обожженному известняку. Когда к этим цементам были добавлены песок и вода, они превратились в строительный раствор, который представлял собой гипсовидный материал, используемый для соединения камней друг с другом. За тысячи лет эти материалы были усовершенствованы, объединены с другими материалами и, в конечном итоге, превратились в современный бетон.

Сегодняшний бетон изготавливается с использованием портландцемента, крупных и мелких заполнителей камня и песка, а также воды. Добавки — это химические вещества, добавляемые в бетонную смесь для контроля ее схватывания и используемые в основном при укладке бетона в экстремальных условиях окружающей среды, таких как высокие или низкие температуры, ветреные условия и т. Д.

Прекурсор бетона был изобретен примерно в 1300 г. до н.э. Восточные строители обнаружили, что, когда они покрывали внешние поверхности своих крепостей из толченой глины и стены домов тонким влажным слоем обожженного известняка, он вступал в химическую реакцию с газами в воздухе, образуя твердую защитную поверхность.Это не был бетон, но это было началом развития цемента.

Ранние цементирующие композитные материалы, как правило, включали измельченный в строительный раствор, обожженный известняк, песок и воду, которые использовались для строительства из камня, в отличие от заливки материала в форму, что по сути является тем, как используется современный бетон, с формой бетонные формы.

Цемент, как один из ключевых компонентов современного бетона, существует уже давно. Около 12 миллионов лет назад на территории нынешнего Израиля естественные отложения образовались в результате реакций между известняком и горючими сланцами, образовавшимися в результате самовозгорания.Однако цемент — это не бетон. Бетон — это композитный строительный материал, и ингредиенты, из которых цемент является лишь одним из них, со временем менялись и меняются даже сейчас. Рабочие характеристики могут изменяться в зависимости от различных сил, которым бетон должен будет противостоять. Эти силы могут быть постепенными или интенсивными, они могут исходить сверху (гравитация), снизу (пучение почвы), по бокам (боковые нагрузки) или могут принимать форму эрозии, истирания или химического воздействия. Состав бетона и его пропорции называются дизайнерской смесью.

Раннее использование бетона

Первые бетонные сооружения были построены набатейскими торговцами или бедуинами, которые оккупировали и контролировали ряд оазисов и создали небольшую империю в регионах южной Сирии и северной Иордании примерно в 6500 году до нашей эры. . Позже они обнаружили преимущества гидравлической извести, то есть цемента, который затвердевает под водой, и к 700 г. до н.э. они строили печи для производства раствора для строительства домов из щебня, бетонных полов и подземных водонепроницаемых цистерн.Цистерны держались в секрете и были одной из причин, по которым набатеи смогли процветать в пустыне.

При изготовлении бетона Набатеи понимали необходимость сохранять смесь как можно более сухой или с низкой оседанием, поскольку избыток воды создает пустоты и слабые места в бетоне. Их строительные методы включали утрамбовку свежеуложенного бетона специальными инструментами. В процессе утрамбовки образуется больше геля, который представляет собой связующий материал, образующийся в результате химических реакций, происходящих во время гидратации, которые связывают частицы и агрегатируются вместе.

Древнее здание Набатеи

Как и у римлян, 500 лет спустя, у Набатеи был доступный на местном уровне материал, который можно было использовать для придания водонепроницаемости цементу. На их территории были крупные поверхностные месторождения мелкодисперсного кварцевого песка. Подземные воды, просачивающиеся сквозь кремнезем, могут превратить его в пуццолановый материал, представляющий собой песчаный вулканический пепел. Чтобы сделать цемент, набатеи обнаружили отложения, зачерпнули этот материал и соединили его с известью, а затем нагрели в тех же печах, которые они использовали для изготовления своей керамики, поскольку целевые температуры лежали в том же диапазоне.

Примерно к 5600 году до нашей эры вдоль реки Дунай в районе бывшей Югославии дома были построены с использованием бетона для полов.

Египет

Около 3000 г. до н.э. древние египтяне использовали грязь, смешанную с соломой, для изготовления кирпичей. Грязь с соломой больше похожа на саман, чем на бетон. Тем не менее, они также использовали гипс и известковые растворы при строительстве пирамид, хотя большинство из нас считают раствор и бетон двумя разными материалами. Для постройки Великой пирамиды в Гизе потребовалось около 500 000 тонн строительного раствора, который использовался в качестве подстилки для облицовочных камней, образующих видимую поверхность законченной пирамиды.Это позволило каменщикам вырезать и устанавливать облицовочные камни с открытыми швами не более 1/50 дюйма.

Камень для облицовки пирамиды

Китай

Примерно в то же время северные китайцы использовали форму цемента при строительстве лодок и при строительстве Великой стены. Спектрометрические испытания подтвердили, что ключевым ингредиентом строительного раствора, использованного в Великой китайской стене и других древних китайских постройках, был клейкий клейкий рис. Некоторые из этих построек выдержали испытание временем и противостояли даже современным попыткам сноса.

Рим

К 600 г. до н.э. греки открыли природный пуццолан, который при смешивании с известью приобрел гидравлические свойства, но греки были далеко не так успешны в строительстве из бетона, как римляне. К 200 г. до н.э. римляне очень успешно строили из бетона, но это не было похоже на бетон, который мы используем сегодня. Это был не пластиковый текучий материал, налитый в формы, а больше похожий на цементированный щебень. Римляне строили большинство своих построек, складывая камни разного размера и вручную заполняя промежутки между камнями раствором.Над землей стены как внутри, так и снаружи были облицованы глиняными кирпичами, которые также служили формами для бетона. Кирпич имел небольшую структурную ценность или не имел ее вообще, и их использовали в основном в косметических целях. До этого времени и в большинстве мест того времени (включая 95% Рима) обычно используемые растворы представляли собой простой известняковый цемент, который медленно затвердевает от реакции с переносимым по воздуху углекислым газом. Истинной химической гидратации не произошло. Эти минометы были слабыми.

Для более грандиозных и искусных построек римлян, а также для их наземной инфраструктуры, требующей большей прочности, они делали цемент из вулканического песка с естественной реакцией под названием harena fossicia .Для морских сооружений и сооружений, подверженных воздействию пресной воды, таких как мосты, доки, ливневые стоки и акведуки, они использовали вулканический песок под названием пуццуолана. Эти два материала, вероятно, представляют собой первое крупномасштабное использование действительно цементирующего вяжущего. Pozzuolana и harena fossicia химически реагируют с известью и водой, гидратируются и затвердевают в каменную массу, которую можно использовать под водой. Римляне также использовали эти материалы для строительства больших сооружений, таких как римские бани, Пантеон и Колизей, и эти сооружения все еще стоят сегодня.В качестве добавок они использовали животный жир, молоко и кровь — материалы, которые отражают очень примитивные методы. С другой стороны, помимо использования природных пуццоланов, римляне научились производить два типа искусственных пуццоланов — кальцинированную каолинитовую глину и кальцинированные вулканические камни, которые, наряду с впечатляющими строительными достижениями римлян, являются свидетельством высокого уровня технической сложности для того времени.

Пантеон

Построенный римским императором Адрианом и завершенный в 125 году нашей эры, Пантеон имеет самый большой из когда-либо построенных неармированных бетонных куполов.Купол 142 фута в диаметре и имеет 27-футовое отверстие, называемое окулусом, на вершине, которая находится на высоте 142 фута над полом. Он был построен на месте, вероятно, начав над внешними стенами и создав все более тонкие слои по мере продвижения к центру.

Пантеон имеет внешние фундаментные стены шириной 26 футов и глубиной 15 футов, сделанные из пуццоланового цемента (известь, химически активный вулканический песок и вода), утрамбованного поверх слоя плотного каменного заполнителя.То, что купол все еще существует, — это случайность. Оседание и движение в течение почти 2000 лет, наряду со случайными землетрясениями, создали трещины, которые обычно ослабляли бы структуру настолько, что к настоящему времени она должна была бы упасть. Внешние стены, поддерживающие купол, содержат семь равномерно расположенных ниш с камерами между ними, которые выходят наружу. Эти ниши и камеры, изначально спроектированные только для минимизации веса конструкции, тоньше основных частей стен и действуют как контрольные соединения, контролирующие расположение трещин.Напряжения, вызванные движением, снимаются за счет трещин в нишах и камерах. Это означает, что купол, по существу, поддерживается 16 толстыми, структурно прочными бетонными столбами, образованными частями внешних стен между нишами и камерами. Другим методом снижения веса было использование очень тяжелых заполнителей с низкой структурой и использование более легких и менее плотных заполнителей, таких как пемза, высоко в стенах и в куполе. Стенки также сужаются по толщине для уменьшения веса наверху.

Римские гильдии

Еще одним секретом успеха римлян было использование ими торговых гильдий. У каждой профессии была гильдия, члены которой отвечали за передачу своих знаний о материалах, методах и инструментах ученикам и римским легионам. В дополнение к боевым действиям легионы обучались самодостаточности, поэтому они также обучались методам строительства и технике.

Технологические вехи

В средние века технология производства бетона поползла назад.После падения Римской империи в 476 году нашей эры методы изготовления пуццоланового цемента были утеряны, пока в 1414 году не было обнаружено рукописей, описывающих эти методы, и возродился интерес к строительству из бетона.

Только в 1793 году технология сделала большой скачок вперед, когда Джон Смитон открыл более современный метод производства гидравлической извести для цемента. Он использовал известняк, содержащий глину, которую обжигали, пока она не превратилась в клинкер, который затем измельчал в порошок.Он использовал этот материал при исторической перестройке маяка Эддистон в Корнуолле, Англия.

Версия Смитона (третья) маяка Эддистоун, завершенная в 1759 году.

Спустя 126 лет он разрушился из-за эрозии скалы, на которой он стоял.

Наконец, в 1824 году англичанин по имени Джозеф Аспдин изобрел портландцемент, сжигая мелко измельченный мел и глину в печи до тех пор, пока не будет удален углекислый газ.Он был назван «портлендским» цементом, потому что он напоминал высококачественные строительные камни, найденные в Портленде, Англия. Широко распространено мнение, что Аспдин был первым, кто нагрел глинозем и кремнезем до точки стеклования, что привело к плавлению. В процессе стеклования материалы становятся стеклоподобными. Аспдин усовершенствовал свой метод, тщательно распределив известняк и глину, измельчив их, а затем обожгнув смесь в клинкер, который затем измельчили в готовый цемент.

Состав современного портландцемента

До открытия портландцемента и в течение нескольких лет после этого использовались большие количества природного цемента, который производился путем обжига смеси извести и глины природного происхождения.Поскольку ингредиенты натурального цемента смешаны по своей природе, его свойства сильно различаются. Современный портландцемент производится по строгим стандартам. Некоторые из многих соединений, содержащихся в нем, важны для процесса гидратации и химических характеристик цемента. Его получают путем нагревания смеси известняка и глины в печи до температур от 1300 ° F до 1500 ° F. До 30% смеси становится расплавленным, но остальная часть остается в твердом состоянии, подвергаясь химическим реакциям, которые могут быть медленными.В конечном итоге смесь образует клинкер, который затем измельчают в порошок. Небольшая часть гипса добавляется, чтобы замедлить скорость гидратации и сохранить бетон более пригодным для обработки. Между 1835 и 1850 годами были впервые проведены систематические испытания цемента на сжатие и растяжение, а также первые точные химические анализы. Только в 1860 году были впервые произведены портлендские цементы современного состава.

Печи

В первые дни производства портландцемента печи были вертикальными и стационарными.В 1885 году английский инженер разработал более эффективную печь, которая была горизонтальной, слегка наклонной и могла вращаться. Вращающаяся печь обеспечивала лучший контроль температуры и лучше справлялась с перемешиванием материалов. К 1890 году на рынке доминировали вращающиеся печи. В 1909 году Томас Эдисон получил патент на первую длинную печь. Эта печь, установленная на цементном заводе Эдисон Портленд в Нью-Виллидж, штат Нью-Джерси, имела длину 150 футов. Это было примерно на 70 футов длиннее, чем используемые в то время печи. Промышленные печи сегодня могут достигать 500 футов в длину.

Вращающаяся печь

Вехи строительства

Хотя были исключения, в течение 19, ^и века бетон использовался в основном для промышленных зданий. В качестве строительного материала он считался социально неприемлемым по эстетическим соображениям. Первое широкое использование портландцемента в жилищном строительстве было в Англии и Франции между 1850 и 1880 годами французом Франсуа Куанье, который добавил стальные стержни, чтобы предотвратить распространение наружных стен, а затем использовал их в качестве элементов изгиба.Первым домом, построенным из железобетона, был коттедж для прислуги, построенный в Англии Уильямом Б. Уилкинсоном в 1854 году. В 1875 году американский инженер-механик Уильям Уорд построил первый железобетонный дом в США. Он до сих пор стоит в Порт-Честере, штат Нью-Йорк. Уорд усердно вел записи о строительстве, поэтому об этом доме известно очень много. Он был построен из бетона из-за страха его жены перед огнем и, чтобы быть более социально приемлемым, был спроектирован так, чтобы напоминать каменную кладку.Это было началом того, что сегодня является отраслью с оборотом в 35 миллиардов долларов, в которой только в США работает более 2 миллионов человек.

Дом, построенный Уильямом Уордом, обычно называют Замком Уорда.

В 1891 году Джордж Бартоломью залил первую бетонную улицу в США, и она существует до сих пор. Бетон, используемый для этой улицы, испытан на давление около 8000 фунтов на квадратный дюйм, что примерно вдвое превышает прочность современного бетона, используемого в жилищном строительстве.

Корт-стрит в Беллефонтене, штат Огайо, которая является старейшей бетонной улицей в США.S.

К 1897 году Sears Roebuck продавала бочки импортного портландцемента емкостью 50 галлонов по цене 3,40 доллара за штуку. Хотя в 1898 году производители цемента использовали более 90 различных рецептур, к 1900 году базовые испытания — если не методы производства — стали стандартизованными.

В конце 19, 90–136– века, использование железобетона более или менее одновременно осваивалось немцем Г.А. Уэйсс, француз Франсуа Хеннебик и американец Эрнест Л.Выкуп. Рэнсом начал строительство из железобетона в 1877 году и запатентовал систему, в которой использовались скрученные квадратные стержни для улучшения связи между сталью и бетоном. Большинство построенных им построек были промышленными.

Компания Hennebique начала строительство домов из армированной стали во Франции в конце 1870-х годов. Он получил патенты во Франции и Бельгии на свою систему и добился большого успеха, в конечном итоге построив империю, продавая франшизы в крупных городах. Он продвигал свой метод, читая лекции на конференциях и разрабатывая стандарты своей компании.Как и Рэнсом, большинство построек, построенных Хеннебиком, были промышленными. В 1879 году Уэйсс купил права на систему, запатентованную французом по имени Монье, который начал использовать сталь для армирования бетонных цветочных горшков и контейнеров для растений. Уэйсс продвигал систему Уэйсс-Монье.

В 1902 году Август Перре спроектировал и построил в Париже жилой дом, используя железобетон для колонн, балок и перекрытий. В здании не было несущих стен, но у него был элегантный фасад, который помог сделать бетон более социально приемлемым.Здание вызывало всеобщее восхищение, и бетон стал более широко использоваться как архитектурный материал, а также как строительный материал. Его дизайн оказал влияние на проектирование железобетонных зданий в последующие годы.

25 Rue Franklin в Париже, Франция

В 1904 году в Цинциннати, штат Огайо, было построено первое бетонное высотное здание. Его высота составляет 16 этажей или 210 футов.

Здание Ингаллса в Цинциннати, Огайо

В 1911 году в Риме был построен мост Рисорджименто.Его ширина составляет 328 футов.

Мост Рисорджименто в Риме

В 1913 году первая партия товарной смеси была доставлена ​​в Балтимор, штат Мэриленд. Четыре года спустя Национальное бюро стандартов (ныне Национальное бюро стандартов и технологий) и Американское общество испытаний и материалов (ныне ASTM International) установили стандартную формулу портландцемента.

В 1915 году Matte Trucco построил пятиэтажный автозавод Fiat-Lingotti в Турине из железобетона.На крыше здания находился автомобильный испытательный полигон.

Автозавод Fiat-Lingotti в Турине, Италия

Эжен Фрейссине был французским инженером и пионером в использовании железобетонных конструкций. В 1921 году он построил два гигантских ангара для дирижаблей с параболической аркой в ​​аэропорту Орли в Париже. В 1928 году он получил патент на предварительно напряженный бетон.

Ангар для дирижаблей с параболической аркой в ​​аэропорту Орли в Париже, Франция

Строительство ангара для дирижаблей

Воздухововлечение

В 1930 году были разработаны воздухововлекающие агенты, количество которых значительно увеличилось. устойчивость бетона к замерзанию и улучшение его удобоукладываемости.Воздухововлечение было важным шагом в улучшении долговечности современного бетона. Воздухововлечение — это использование агентов, которые при добавлении в бетон во время смешивания создают множество очень маленьких и близко расположенных пузырьков воздуха, и большинство из них остаются в затвердевшем бетоне. Бетон затвердевает в результате химического процесса, называемого гидратацией. Для гидратации бетон должен иметь минимальное водоцементное соотношение 25 частей воды на 100 частей цемента. Вода, превышающая это соотношение, является избыточной водой и помогает сделать бетон более пригодным для укладки и отделочных работ.По мере высыхания и затвердевания бетона излишки воды испаряются, оставляя поверхность бетона пористой. В эти поры может попадать вода из окружающей среды, например, дождь или талый снег. Морозная погода может превратить эту воду в лед. Когда это происходит, вода расширяется, создавая небольшие трещины в бетоне, которые будут увеличиваться по мере повторения процесса, что в конечном итоге приведет к отслаиванию поверхности и ее разрушению, называемому отслаиванием. Когда бетон увлекается воздухом, эти крошечные пузырьки могут слегка сжиматься, поглощая часть напряжения, создаваемого расширением, когда вода превращается в лед.Вовлеченный воздух также улучшает обрабатываемость, поскольку пузырьки действуют как смазка между заполнителем и частицами в бетоне. Захваченный воздух состоит из более крупных пузырьков, застрявших в бетоне, и не считается полезным.

Thin Shell

Опыт в строительстве из железобетона в конечном итоге позволил разработать новый способ строительства из бетона; технология тонкой оболочки включает в себя строительные конструкции, такие как крыши, с относительно тонкой оболочкой из бетона.Купола, арки и сложные кривые обычно строятся этим методом, так как они имеют естественные формы. В 1930 году испанский инженер Эдуардо Торроха спроектировал для рынка Альхесирас невысокий купол толщиной 3½ дюйма и шириной 150 футов. Стальные тросы использовались для образования натяжного кольца. Примерно в то же время итальянец Пьер Луиджи Нерви начал строительство ангаров для ВВС Италии, как показано на фото ниже.

Монтируемые на месте ангары для ВВС Италии

Ангары были отлиты на месте, но для большей части работ Nervi использовался сборный бетон.

Вероятно, наиболее опытным человеком, когда дело дошло до строительства с использованием методов бетонной оболочки, был Феликс Кандела, испанский математик-инженер-архитектор, который в основном практиковал в Мехико. Крыша лаборатории космических лучей в Университете Мехико была построена толщиной 5/8 дюйма. Его фирменной формой был гиперболический параболоид. Хотя здание, показанное на фотографии ниже, не было спроектировано Канделой, это хороший пример гиперболической параболоидной крыши.

Гиперболическая параболоидная крыша церкви в Боулдере, штат Колорадо

Та же строящаяся церковь

Некоторые из самых ярких крыш в мире были построены с использованием технологии тонкослойной оболочки, как показано ниже.

Сиднейский оперный театр в Сиднее, Австралия

Плотина Гувера

В 1935 году плотина Гувера была завершена после заливки примерно 3250000 ярдов бетона, с дополнительными 1110000 ярдами, использованными для электростанции и строительства. другие сооружения, связанные с плотиной. Имейте в виду, что это произошло менее чем через 20 лет после того, как была установлена ​​стандартная рецептура цемента.

Колонны из блоков, заполняемые бетоном на плотине Гувера в феврале 1934 г.

Инженеры Бюро мелиорации подсчитали, что если бетон был помещен в единую монолитную заливку, строительство дамбы потребовалось бы 125 лет. остыть, и напряжения от выделяемого тепла и сжатия, которое происходит при застывании бетона, могут вызвать растрескивание и осыпание конструкции.Решение заключалось в том, чтобы залить плотину серией блоков, образующих колонны, при этом некоторые блоки имели размер 50 квадратных футов и 5 футов высотой. Каждая секция высотой 5 футов имеет ряд установленных труб диаметром 1 дюйм, по которым перекачивается речная вода, а затем механически охлажденная вода для отвода тепла. Как только бетон перестал сжиматься, трубы залили раствором. Образцы бетонного ядра, испытанные в 1995 году, показали, что бетон продолжает набирать прочность и имеет прочность на сжатие выше среднего.

Верхняя часть плотины Гувера показана в момент ее первого заполнения

Плотина Гранд-Кули

Плотина Гранд-Кули в Вашингтоне, построенная в 1942 году, является крупнейшей бетонной конструкцией в истории построен. Он содержит 12 миллионов ярдов бетона. Раскопки потребовали удаления более 22 миллионов кубических ярдов земли и камня. Чтобы уменьшить количество грузовых перевозок, была построена конвейерная лента длиной 2 мили. В местах фундамента цементный раствор закачивали в отверстия, пробуренные глубиной от 660 до 880 футов (в граните), чтобы заполнить любые трещины, которые могли ослабить землю под плотиной.Чтобы избежать обрушения грунта под весом покрывающих пород, в землю были вставлены 3-дюймовые трубы, по которым закачивалась охлажденная жидкость из холодильной установки. Это заморозило землю, достаточно стабилизировав ее, чтобы строительство могло продолжаться.

Плотина Гранд-Кули

Бетон для плотины Гранд-Кули укладывался теми же методами, что и плотина Гувера. После помещения в колонны, холодная речная вода перекачивалась по трубам, встроенным в застывающий бетон, снижая температуру в формах с 105 ° F (41 ° C) до 45 ° F (7 ° C).Это привело к сокращению дамбы примерно на 8 дюймов в длину, и образовавшиеся щели были заполнены раствором.

Строящаяся плотина Гранд-Кули

Высотное строительство

В годы, прошедшие после постройки Ингаллс-билдинг в 1904 году, большинство высотных зданий были построены из стали. Строительство в 1962 году 60-этажных башен-близнецов Бертрана Голдберга в Чикаго вызвало новый интерес к использованию железобетона для высотных зданий.

Самое высокое сооружение в мире (по состоянию на 2011 год) было построено из железобетона. Бурдж-Халифа в Дубае в Объединенных Арабских Эмиратах (ОАЭ) имеет высоту 2717 футов.

Вот несколько фактов:

• Это многофункциональная структура с гостиницей, офисными и торговыми помещениями, ресторанами, ночными клубами, бассейнами и 900 резиденциями.
• В строительстве использовано 431 600 кубических метров бетона и 61 000 тонн арматуры.
• Вес пустого здания составляет около 500 000 тонн, примерно столько же, сколько и миномет, использованный при строительстве Великой пирамиды в Гизе.
• Бурдж-Халифа может одновременно вместить 35 000 человек.
• Чтобы преодолеть 160 этажей, некоторые из 57 лифтов движутся со скоростью 40 миль в час.
• Жаркий влажный климат Дубая в сочетании с системой кондиционирования воздуха, необходимой для поддержания наружной температуры выше 120 ° F, производит такое количество конденсата, что он собирается в сборном баке в подвале и используется для орошения ландшафтов.

Бурдж-Халифа в Дубае

Великая пирамида в Гизе удерживала рекорд самого высокого в мире сооружения, созданного руками человека, около 4000 лет назад.Строительство здания на 568 футов выше Бурдж-Халифа планируется завершить в 2016 году в Кувейте.

************************

Эта статья является первой из серии, которая поможет инспекторам InterNACHI понять характеристики и визуально осмотреть бетон.

.

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Внешний вид Римского Пантеона, все еще самого большого (43,4 м в диаметре) неармированного цельного бетонного купола. ^[1]
Современное здание: мэрия Бостона (завершена в 1968 году) построена в основном из бетона, как сборного, так и залитого на месте.
Бетон, из которого построено здание

Бетон — важный материал для строительства различных зданий и сооружений. Это композит, состоящий из портландцемента, песка, гравия или заполнителя и воды в различных пропорциях в зависимости от задачи.

Бетон используется больше, чем любой другой искусственный материал в мире. ^[2] По состоянию на 2006 год, ежегодно производилось около 7,5 миллиардов кубометров бетона — более одного кубического метра на каждого человека на Земле. ^[3]

Ингредиенты смешиваются в пасту, как при приготовлении теста для хлеба. Затем бетон заливается в раму. Через несколько часов он затвердевает. Бетон затвердевает в результате химической реакции, известной как гидратация. Вода вступает в реакцию с цементом, который связывает другие компоненты вместе, в конечном итоге создавая прочный камнеобразный материал.

Бетон используется для изготовления тротуаров, труб, архитектурных конструкций, фундаментов, автомагистралей, мостов, многоэтажных парковок, стен, опор для ворот, заборов и столбов и даже лодок.
Его самым большим преимуществом является то, что он связывает кирпичи и камни лучше, чем любой другой метод, известный человечеству.

Бетон крепок на сжатие, но слаб на растяжение. Для некоторых целей его нужно армировать стальными стержнями. Железобетонные здания можно сделать так, чтобы соединить все части вместе, фундамент, стены, полы и крыши, но бетонная конструкция не делает здания сейсмостойкими.

Бетону 5600 лет до нашей эры. Его не изобрели римляне, но они часто использовали его. Некоторые виды бетона водонепроницаемы, а некоторые даже погружаются под воду.

Существует множество добавок, ускоряющих схватывание, медленнее схватывания, более прочных, уменьшающих коррозию и т.д. Римляне обнаружили, что добавление вулканического пепла дает бетон, который затвердевает под водой. Римляне также знали, что добавление конского волоса снижает склонность бетона к растрескиванию при его застывании, а добавление крови делает его более морозостойким. ^[4]

Современный бетон был изготовлен в 1756 году британским инженером Джоном Смитоном. Он добавил в цемент гальку и порошковый кирпич. В 1824 году английский изобретатель Джозеф Аспдин изобрел портландцемент, который оставался основным цементом, используемым в производстве бетона. Он сжег измельченный известняк и глину вместе. Процесс обжига изменил химические свойства материалов, и Аспдин создал более прочный цемент, чем простой известняковый щебень. ^[5]

В 19 веке французский садовник Жозеф Монье изобрел железобетон в 1849 году (запатентовано в 1867 году). ^[5] Франсуа Куанье изучил и улучшил его. Это бетон со стальными стержнями, называемыми арматурой (арматурные стержни). Стекловолокно или пластиковое волокно начинают заменять стальные стержни.

Многие современные химические вещества могут быть добавлены в смесь для достижения особых целей. «Суперпластификаторы» — это химические вещества, которые улучшают удобоукладываемость, то есть способность придавать бетону форму до того, как он застынет. Пигменты могут изменить тускло-серый цвет. Ингибиторы коррозии могут уменьшить ржавление стальных стержней.«Воздухововлечение» — это выдувание маленьких пузырьков в бетон, прежде чем он затвердеет. Это помогает бетону пережить замерзание и оттаивание в холодном климате. Доменный шлак можно смешивать с бетоном. Он превращает цвет в почти чистый белый и делает бетон более прочным.

.

Как делается бетон (новое исследование) — Цементный бетон

Как производится бетон: — Бетон представляет собой жидкую смесь цемента, воды, песка и гравия . Бетон можно заливать в формы или формы, и он затвердеет, чтобы создать необходимые компоненты бетонной конструкции. Вам интересно узнать о микроструктуре бетона? Вот Новое исследование по микроструктуре бетона.

Химическая реакция и гидратация

схватывание и твердение бетона вызвано химической реакцией между портландцементом и водой, это можно продемонстрировать, добавив небольшое количество цемента в воду, содержащую индикатор, быстрое развитие синего цвета отражает выделение гидроксила. Ионы из растворяющегося цемента химическая реакция между цементом и водой называется гидратацией.

Связанные: — Высокопрочные свойства бетона, прочность, добавки и состав смеси

Рис.1. Состав бетона

Растворение цемента увеличивает уровни кальция и кремния в растворе, когда концентрация растворенных веществ достигает критических уровней, в результате реакции осаждения образуются новые твердые продукты. Это эскиз цементных зерен, взвешенных в воде.

Твердые продукты Hydration образуют покрытия вокруг частиц цемента и постепенно заполняют пространство между ними, когда покрытия впервые начинают схватываться, происходит устойчивое увеличение прочности по мере того, как покрытия растут вместе, величина прочности, достигаемая за счет смесь цемента и воды зависит от того, насколько эффективно заполнено пространство между зернами.

Бетон затвердеет в течение нескольких часов, , но гидратация продолжается в течение недель, даже лет после укладки. Вот изображение частиц цемента до воздействия воды. Сухой цемент представляет собой мелкий порошок, и частицы не прикрепляются друг к другу после того, как цемент смешан с водой и оставлен стоять.

Сейчас картина совсем иная, частицы сгруппированы вместе и прикреплены твердым материалом, обеспечивающим структурную целостность.Ученые из Национального института стандартов и технологий научились смоделировать гидратацию цемента на компьютере с помощью компьютерного моделирования.

Гидратация ускоряется за несколько минут, а не дней до гидратации. Моделирование частиц цемента размещаются на дисплее компьютера, компьютер определяет области частиц, которые могут растворяться в воде.

Кусочки растворенного цемента случайным образом диффундируют в воде и реагируют с образованием твердых фаз.Согласно определенным правилам после завершения цикла , растворения, диффузии и осаждения , компьютер переходит к другому циклу, поскольку этот процесс повторяется снова и снова.

Микроструктура бетона

Микроструктура создает мосты между частицами, которые придают материалу прочность. Компьютерное моделирование оказалось ценным, поскольку позволяет исследователям проверять условия и проводить измерения, которые трудно достичь в реальной жизни.В конце моделирования гидратации структура затвердевшего цементного теста очень похожа на ту, что наблюдается под микроскопом.

Гидратация — это экзотермический процесс, при котором в результате химических реакций выделяется тепло, за процессом гидратации можно легко следить, отслеживая выделение тепла, которое сопровождает реакции,

это делается путем отхаркивания раствора из партии бетона и его взвешивания в бутылку, которая помещается в изотермический контейнер, термистор — это встраиваемый в свежий раствор , выходной сигнал термистора можно регистрировать с помощью На компьютере результаты этого эксперимента могут быть представлены в виде кривой зависимости температуры от времени .

Подробнее : Производство портландцемента — процесс и материалы

Площадь под основным пиком может быть связана с ранним развитием прочности, начальное растворение цемента Purdue — это кратковременное выделение тепла, показанное первым пиком на калориметрической кривой.

После того, как продукты гидратации начального растворения быстро осаждаются на поверхности каждой частицы цемента, слой действует как защитный барьер и временно задерживает дальнейшее растворение частицы, это замедляет реакцию на несколько часов и называется период покоя.

Наличие периода покоя позволяет транспортировать бетон на строительную площадку, укладывать и обрабатывать формы, конец периода покоя представляет собой начало схватывания, после чего цемент снова начинает реагировать. быстро с водой, поскольку образуются новые продукты гидратации.

Ученые используют измерения других свойств для контроля схватывания и твердения бетона, исследователям часто необходимо знать, какая часть цемента гидратирована.

Степень гидратации

Степень гидратации можно оценить путем нагревания образца цементного теста и измерения потери веса в зависимости от температуры с использованием оборудования для термогравиметрического анализа , свободная вода в образце удаляется путем нагревания до 105 градусов Цельсия при 105 градусах . Образец сухой, но сохраняет свою прочность.

Вода, участвующая в реакциях гидратации, химически соединяется с цементом. Ее можно удалить из образца путем нагревания до 1000 градусов при 1000 градусов всей исходной смеси.вода была удалена из образца. Степень гидратации рассчитывается по массе химически объединенной воды, типичное цементное тесто, отвержденное во влажных условиях, достигает степени гидратации около 80% за 28 дней с,

Электрические свойства образцов цемента или раствора можно отслеживать с течением времени, что приводит к профилям изменений электрического сопротивления. Электрические свойства этого образца цемента измеряются с помощью двух металлических дорог и оборудования, которое измеряет сопротивление и импеданс.

На этой диаграмме показано, как сопротивление электричества через цемент увеличивается по мере того, как цемент гидратируется в раннем возрасте, вода легко проводит ток через образец, но когда продукты гидратации заполняют открытые пространства внутри образца, электрический ток не может проходить так же легко, в этом случае Таким образом, электрические свойства могут быть связаны со степенью гидратации.

Сопротивление и импеданс цемента — это тема исследований, которые когда-нибудь могут изменить методы испытаний свежего бетона в полевых условиях.Текучие свойства бетона очень важны в этой области, потому что качественное строительство требует соответствующего уплотнения.

Стандартное испытание осадки обеспечивает грубую оценку удобоукладываемости бетона, это испытание широко используется, поскольку его легко проводить в полевых условиях, свойства жидкости также являются предметом исследования в лаборатории из-за потока изменений цемента по мере гидратации. Такие свойства, как вязкость и начальное сопротивление потоку, используются для характеристики жидких материалов.

Вода — это жидкость с низкой вязкостью и низким начальным сопротивлением текучести, но бетонный раствор и свежий цементный клей имеют гораздо более высокую вязкость, чем вода.

Вибрация часто используется для преодоления этого сопротивления в бетоне в лаборатории, жидкие свойства цементного теста можно измерить с помощью этого реометра Brookfield , исследователи используют более крупное оборудование, такое как реометр Tattersall, для измерения свойств раствора и бетона.

Реологическое оборудование т может использоваться для измерения начального сопротивления потоку, которое во время схватывания называется пределом текучести.Предел текучести начинает увеличиваться, и способность к течению теряется, исследователи заинтересованы в характеристиках текучести, чтобы понять, как процесс гидратации делает свежий бетон жестким и приводит к его застыванию.

Скорость гидратации можно контролировать несколькими способами, такими как температура, тип цемента и примеси . влияет на скорость, одной из наиболее важных переменных является температура окружающей среды, высокие температуры ускоряют гидратацию, так что схватывание также происходит быстрее. как последующее развитие силы.

Обратное происходит, когда температура понижается, хорошее практическое правило состоит в том, что на каждые 10 градусов Цельсия изменение температуры скорость гидратации изменяется в два раза, например, повышение температуры с 20 градусов Цельсия до 30. градусов Цельсия удваивает скорость гидратации , важно помнить, что когда погода становится более прохладной, бетон медленно затвердевает и его необходимо хранить в форме в течение более длительного периода времени.

Гидратацию бетона также можно контролировать, используя различные типы цемента для противодействия влиянию высоких или низких температур в полевых условиях, например, использование 3-х типов цемента противодействует холодным температурам, потому что они быстрее гидратируются, есть также специальные химические вещества которые регулируют гидратации, могут быть добавлены в бетон, чтобы ускорить гидратацию.

Установить замедлители гидратации этих материалов широко доступны.

Таким образом, гидратация — это химическая реакция между цементом и водой, которая связывает частицы цемента и заполнитель в бетоне в прочный, и во время массирования одним из важных преимуществ бетона перед другими строительными материалами является то, что он смешивается. и формируется на месте и может принимать очень большие и гибкие . Способность бетона быстро набирать прочность делает его ценным материалом для дорог, зданий, мостов и других важных сооружений .

Вам также понравится:

(Посещали 1443 раза, сегодня 1 посещали)

Продолжить чтение

.

19 великих изобретений, перевернувших историю

Сегодняшний день, в котором мы живем, может показаться результатом стремительных инноваций и открытий. Но если мы осмелимся проследить за оборудованием и машинами сегодняшнего дня, большинство из них — это усовершенствования устройств, которые были построены давно.

СМОТРИ ТАКЖЕ: 27 ИЗОБРЕТЕНИЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ РЕВОЛЮЦИИ, ИЗМЕНИЛИ МИР

Транспорт, связь и обмен информацией следуют одному и тому же пути непрерывных инноваций, связанных с изобретением, появившимся сотни лет назад.

Давайте посмотрим на некоторые из величайших изобретений, которые произвели революцию в истории.

1. Колесо (3500 г. до н.э.) — давай начнем вращаться

Источник: zsuzsannasolti / Pixabay

Если мы оглянемся назад, то первым изобретением, изменившим будущее человечества, было изобретение колеса. Будь то путешествие или транспортировка товаров, изобретение колес сделало это намного проще, чем когда-либо прежде.

В доисторические времена колеса использовались не только на транспортных средствах; они также использовались в системах шкивов.Удивительно, но применение колес в первую очередь не применялось на тележках или каретах.

Есть свидетельства того, что они впервые использовались в качестве гончарного круга в 3500 году до нашей эры. Сегодня колесо и его производные присутствуют повсюду, помогая нам облегчить наши усилия и выполнить свою работу!

2. Компас (206 г. до н.э.) — Следопыт

Источник: Тереза ​​Томпсон / Flickr

На протяжении всей истории у людей была неутолимая жажда исследования неизвестного.Но это было бы невозможно без знания ориентиров, которые помогли определить географическое положение.

Вот почему компасы были одним из самых важных инструментов, которые помогли человечеству исследовать и регистрировать сушу и водные массы по всему миру. В сегодняшнем мире спутников и GPS это может показаться неуместным, но это было одно из ключевых изобретений, изменивших мир к лучшему!

Компас был изобретен китайцами для помощи в гадании, но его применение в путешествиях и навигации было реализовано только в 11 ^-м г. н.э.

3. Водяное колесо (50 г. до н.э.) — забытое изобретение

Источник: Smallbones / Wikimedia Commons

Водяные колеса часто игнорируются из наиболее известных изобретений, изменивших историю. Но давайте не будем забывать о первом изобретении, которое помогло человечеству получать энергию из источников, отличных от людей и животных.

Водяное колесо было изобретено римским инженером Витрувием. Он преобразует силу текущей или падающей воды в механическую энергию.Затем эта механическая энергия использовалась для дробления зерна, токарных станков, приводов лесопильных заводов, текстильных изделий, кузнечных сильфонов и многого другого.

Сообщается, что в 1086 году в Европе их было около 6000.

4. Календарь (45 г. до н.э.) — Сохранить Дата

Источник: Asmdemon / Wikimedia Commons

Современный календарь не использовался до 1600-х годов, поэтому существовало множество форм календарей, которые использовались для заполнения единой системы.

Первой формой календаря, используемого египтянами, был солнечный календарь. Затем Юлий Цезарь принес юлианский календарь, в котором использовалась 12-месячная система.

Но у него был серьезный недостаток, так как он отключался на 11 минут. Григорианский календарь, или современный календарь, который мы используем сегодня, был введен Папой Григорием XIII в 1582 году.

5. Пуццолана (27 г. до н.э.) — Древний бетон

Источник: Epolk / Wikimedia Commons

Мы живем в мире, который построен из кирпича и раствора.Во всех высотных зданиях, от небоскребов до одноэтажных, используется одна и та же комбинация материалов, которая удерживает их вместе, не опрокидываясь — бетон.

Бетон был изобретен еще в Древнем Риме. Римляне использовали другую комбинацию элементов для создания связующей смеси, чем их современный эквивалент.

Pozzolana использует смесь глинозема и кремния, которая реагирует с гидроксидом кальция при комнатной температуре в присутствии воды с образованием вещества, обладающего вяжущими свойствами.

Неудивительно, почему римские колизеи и соборы выдержали испытание временем, не потеряв своей красоты и ауры!

6. Часы (725 г. н.э.) — Первые механические часы

Источник: Wikimedia Commons

Представьте себе современную цивилизацию, не имея чувства времени. Сценарий, при котором не важны ни сроки, ни рабочее время. Страшно, не правда ли?

Время — это то, что помогает нам все отслеживать. Люди не изобрели часы как таковые, поскольку это была модификация солнечных часов.

Солнечные часы были первыми устройствами, которые человек использовал для отслеживания времени, и их использование насчитывает 6 тысяч лет.

Египтяне и китайцы использовали водяные часы, чтобы отслеживать время. Первые механические часы были изготовлены И Сином из Китая в 725 году нашей эры.

7. Печатный станок (1450) — Эффект Гутенберга

Источник: Takomabibelot / Wikimedia Commons

Печатный станок является важной частью фундамента, на котором строилась современная цивилизация.Это было изобретение Иоганна Гутенберга из Германии.

Машина использовалась для массового производства газет и других информационных материалов. Это также означало, что цены на печатную бумагу упали, и она стала доступной для многих.

Печатный станок сыграл большую роль в промышленной революции, и к тому времени даже низшие классы могли позволить себе газеты и узнать, что происходило вокруг них.

Влияние печатного станка на историю невозможно сопоставить лучше, чем слова самого Марка Твена: « То, чем мир является сегодня, хорошим и плохим, он обязан Гутенбергу .»

8. Паровоз (1712) — Изобретение, положившее начало революции

Источник: Йост Дж. Баккер / Wikimedia Commons

Промышленная революция началась с изобретения, которое привело в действие промышленность и локомотивы одинаково. Все началось с изобретения Томасом Ньюкоменом паровой машины.

Не путайте его изобретение с паровым поездом, так как это было позднее изобретение другого изобретателя. Двигатель Ньюкомена был стационарным и использовался как стационарный насос или мотор.

Это была движущая сила промышленной революции.

9. Вакцины (1796) — Одно из самых важных изобретений для человечества

Источник: капрал. Жаклин Перес Ривера / Wikimedia Commons

Вакцины помогли нам сдержать тонну опасных для жизни эпидемий. Было подсчитано, что только от оспы было зарегистрировано около 500 миллионов смертей.

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ: 35 ИЗОБРЕТЕНИЙ, ИЗМЕНИВШИХ МИР

Эдвард Дженнер был первым человеком, который создал вакцину.Он изобрел вакцину против оспы, которая спасла бесчисленное количество жизней и принесла ему титул отца иммунологии.

Мир выиграл от изобретения вакцин, поскольку их производные помогли человечеству преодолеть периоды смертельных болезней.

10. Поезд с паровым двигателем (1814 г.) — продвижение промышленной революции

Источник: Петар Милошевич / Wikimedia Commons

Первый успешный локомотив с паровым двигателем был построен Джорджем Стефенсоном в 1814 году.Джордж Стефенсон построил паровой двигатель по проекту Джона Бленкинсопа.

Он работал на двигателе, предложенном Джеймсом Ваттом. Изобретение паровой машины и ее способности нести огромные грузы сделало ее лучшим способом быстро нести тонны груза через обширные участки земли.

Вскоре мили и мили железных дорог были проложены, чтобы соединить штаты и даже страны.

11. Электрическая батарея (1800) — Замечательный подвиг Вольты

Источник: GuidoB / Wikimedia Commons

В 1800-х годах у людей не было непрерывных линий электропередач, которые обеспечивали бы постоянную подачу энергии.Так что производство электроэнергии было задачей не из легких.

Ситуация изменилась, когда итальянский изобретатель Алессандро Вольта изобрел первую в истории батарею, в которой использовались диски из цинка и серебра, расположенные попеременно в форме цилиндрической стопки. Батарея могла генерировать повторяющиеся искры и помогала работать многим устройствам.

12. Компьютер (1822) — Первый механический компьютер Бэббиджа

Источник: Victorgrigas / Wikimedia Commons

Компьютеры, без сомнения, одно из величайших изобретений человечества.Созданные в первую очередь для выполнения сложных математических вычислений, компьютеры прошлого превратились в машины, которые можно использовать для предварительного построения карты движения звезд и камней в космосе.

Первый механический компьютер был изобретен Чарльзом Бэббиджем. Но это сильно отличалось от того, что есть сейчас.

Он использовал движущиеся части для расчетов и весил тонны. Компактные компьютеры, которые мы используем сегодня, являются результатом таких изобретений, как транзисторы и интегральные схемы.

13. Холодильник (1834) — Избавление от жары в 1834 году

Источник: Infrogutation, Новый Орлеан / Wikimedia Commons

Согласно отчету 2009 года Министерства энергетики США, 99% домов в США имеют как минимум один холодильник. Эта статистика сама по себе свидетельствует о популярности холодильника в современном мире.

Холодильник помогает хранить скоропортящиеся пищевые продукты намного дольше, чем они могли бы сохраниться. Работа холодильника очень проста — отвод тепла от зоны создания холодного состояния.

Первый цикл охлаждения с компрессией пара был предложен Джейкобом Перкинсом, также известным как отец охлаждения. Его холодильная машина, построенная в 1834 году, была основана на теории, выдвинутой Оливером Эвансом.

14. Телеграф (1830-1840) — Устройство связи , которое представило код Морзе

Источник: Wikimedia Commons

Телеграф был предшественником в области связи до изобретения телефона Антонио Меуччи .Он был разработан Сэмюэлем Морсом и его командой инженеров.

С изобретением телеграфа междугородная связь больше не зависела от посыльных. С использованием кода Морзе междугородное общение стало проще, и люди могли общаться со своими близкими на больших расстояниях, отправляя свои сообщения через телеграммы.

Батарейки, изобретенные Алессандро Вольта, позволили телеграммам работать в контролируемой среде.

15.Сталь (1850 г.) — От булавок до Бруклинского моста

Источник: Wlodi / Wikimedia Commons

Сталь — один из наиболее часто используемых строительных материалов. Он значительно превосходит железо и другие дорогостоящие строительные материалы. Соотношение веса и прочности сделало сталь предпочтительным выбором строителей по сравнению с другими материалами.

Но сталь — относительно новое изобретение, поскольку оно явилось результатом эксперимента Генри Бессемера с железом. Он хотел снизить содержание углерода в железе, чем это было возможно в то время.

В результате получилось нечто гибкое, чем чугун, но более прочное, чем кованое железо — идеальная смесь — сталь!

16. Электрическая лампочка (1880 г.) — Освещение мира

Источник: Уильям Дж. Хаммер / Wikimedia Commons

Попытки создать лампочку начались примерно в 1800-х годах. Но изобретения того времени не были жизнеспособными, поскольку нить накаливания порвалась через несколько дней использования.

Это сделало коммерческое использование лампочек неосуществимым вариантом. Но перенесемся в 1879 год, когда Томас Альва Эдисон и его группа инженеров усовершенствовали лампочку, используя вольфрам в качестве материала нити накала.

Патенты на современные волокна получены в период с 1879 по 1880 годы. Изобретение лампочек освободило человечество от зависимости только от дневного света и привело к созданию сценария, в котором люди могут работать или выполнять другую трудоемкую работу ночью при достаточном освещении.

17. Самолет (1903) — Осуществление летающей мечты

Источник: Джон Т. Дэниэлс / Wikimedia Commons

Человеческое тело не было спроектировано для полета, и те, кто думал, что это возможно, потерпели неудачу в своих усилиях.Леонардо да Винчи был одним из провидцев, которые считали, что человек действительно может летать при условии, что он сможет построить аппарат, который поможет ему в полете.

Братья Райт были теми, кто продемонстрировал человеческий полет в действии в 1903 году. Их изобретение с годами эволюционировало и превратилось в то, что мы сейчас называем современными самолетами.

Теперь люди могут преодолевать тысячи миль за считанные часы благодаря достижению Уилбура и Орвилла Райтов.

18. Транзисторы (1947 г.) — Секрет современной вычислительной техники

Источник: Unitronic / Wikimedia Commons

Эра электроники возникла благодаря транзисторам.Они использовались для усиления электрических сигналов, и их использование в истории в основном использовалось для телефонов.

Использование транзисторов означает, что связь между странами была возможна, поскольку стратегически размещенные транзисторы будут усиливать сигналы в определенных точках вдоль линии передачи. Это проложило путь для сигналов, которые распространяются гораздо дальше, не оказывая при этом значительного влияния на качество.

Транзисторы были разработаны Bell Laboratories для замены электронных ламп, которые использовались для усиления сигналов.В настоящее время транзисторы используются в процессорах и многих других электронных устройствах.

19. ARPANET (1969) — Примитивный Интернет

Источник: Defense Systems Agency / Wikimedia Commons

Некоторые из вас, возможно, не знакомы с термином ARPANET, но вы, возможно, уже привыкли к его современной версии — Интернет. Нет ни одного человека, которому можно приписать изобретение Интернета, как это сделали многие.

Интернет зародился как проект, предпринятый Министерством обороны США под названием ARPANET или Сеть Агентства перспективных исследовательских проектов.Он был изобретен для обмена данными между несколькими узлами, расположенными на больших расстояниях.

К 1970-м годам ученый Винтон Шеф разработал протокол управления передачей, который позволил компьютерам обмениваться данными друг с другом. Интернет, который мы знаем сегодня, был разработан программистом по имени Тим Бернерс-Ли, когда он создал Всемирную паутину, которая, по сути, представляла собой сеть информации, к которой люди могут получить доступ.

Действительно долгий путь!

Оглядываясь назад на эти новаторские изобретения, становится ясно одно — наше желание процветать и совершенствоваться.Мы видим общество, которое изобрело колесо, чтобы быстро ступать по земле, которое овладело небом и волнами. Это действительно замечательно, и мы будем делать это еще много лет!

.