CC BY
576
УДК 691.328.1, 691.328.2, 691.328.43
И.А. Коротченко
студент, кафедра «Гоажданское строительство и прикладная экология» ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»
А.Ю. Пахомова
ассистент, кафедра «Гражданское строительство и прикладная экология» ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ БЕТОНА И ЕГО БУДУЩЕЕ
Аннотация. В статье рассмотрены этапы становления бетона, дана историческая справка, показано изменение состава бетона со временем. Также автор постарался «заглянуть в будущее» и оценить возможность использования бетона в будущем.
Ключевые слова: строительные материалы, бетон, железобетон, нанобетон.
I.A. Korotchenko, Saint-Petersburg Federal Polytechnical University
A.Yu. Pakhomova, Saint-Petersburg Federal Polytechnical University
HISTORY OF CONCRETE AND ITS FUTURE
Abstract. The article describes the stages of concrete development, given the historical background, shows the changes in the composition of the concrete over time. Author also tried to «look into the future» and evaluate the possibility of using concrete in the future.
Keywords: building materials, concrete, reinforce concrete, nanoconcrete.
Введение. Объект нашего исследования - процесс становления и этапы развития бетона. Сегодня бетон является одним из самых востребованных строительных материалов. Мировой объём его применения составляет более 2 миллиардов куб. м. в год [1]. Ни одно современное строительство не обходится без бетона, а всё потому, что, в зависимости от технологии производства и состава, его характеристики могут соответствовать любому требованию застройщика. Если посмотреть вокруг, то можно увидеть, что практически всё, что нас окружает, сделано из бетона - это жилые и промышленные здания, всевозможные технологические площадки, дороги, мосты. В экспериментальном порядке изготавливались детали для самолетов, железнодорожные вагоны, батискафы, подводные лодки [2] и даже музыкальные инструменты [3]. Трудно найти сооружения, где хотя бы при закладке фундамента не используется бетонный раствор или плиты. То тут, то там вырастают малопривлекательные громадины высотных домов. Серый цвет, привычные формы - эти ассоциации возникают у нас с бетонными зданиями, люди стали считать бетон чисто утилитарным материалом.
Освоение и развитие бетона на протяжении веков является наглядным примером реализации достижений человека в создании разнообразных архитектурных форм и композиций [4]. Перспективность развития материала также очень велика - разрабатываются различные добавки для увеличения подвижности смеси, а также для ускорения твердения, внедряются новые методы укладки смеси, её прогрева [5]. Перспективы бетона в будущем очень велики. Сейчас ученые всего мира ведут разработки в области новых видов бетонов - нанобетонов, которые по своим характеристикам в разы превосходят современные бетоны. Также идут исследования в области предварительно напряженного железобетона, самоуплотняющегося железобетона и высокопрочных бетонов. О перспективности материала также можно судить по большому количеству защищенных диссертаций в совершенно разных сферах бетонной отрасли.
Обзор литературы. При написании данной статьи были использованы научная и учебно-методическая литература, статьи в периодических изданиях Российской Федерации. Основными источниками, раскрывающими этапы развития и процесс становления бетона, являются работы Баженова Ю.М., Суздальцевой А.Я., Кочетова В.А. Как можно увидеть по годам издания, эти работы пришлись на этапы расцвета в применении бетона, его постепенного совершенствования и внедрения в массовое строительство. Авторы рассматривают историю бетона и его применение. В наше время работ по данной проблематике крайне мало, поэтому мы постарались систематизировать накопленный материал и упорядочить его хронологически. Что же касается источников по перспективам применения данного строительного материала, то это, в основном, статьи и профессиональная литература. Сейчас идут процессы развития данного материала, во многих проектных институтах мира ведутся разработки по совершенствованию бетонов, поэтому литературы по данной проблематике достаточно много.
Постановка проблемы. Бетон - очень полезный и широко используемый строительный материал, который прошел долгий путь в своем развитии, продолжая развиваться и по настоящее время. Мы хотим показать, как его состав менялся с течением времени, а также систематизировать этапы его развития и свести их к наглядной таблице, чего прежде не встречали. Также будет проанализирована применимость бетона в будущем с учетом перспектив его развития. Научная новизна работы состоит в освещении истории данного материала, анализе изменений в составе бетона и в отношении к нему людей. Также нами будут представлены шедевры бетонной архитектуры, которые не часто встречаются.
Описание исследования. Согласно раскопкам, древние строители применяли не только природные камни, но и искусственные - предки современного бетона. Как оказалось, их строение напоминает современный бетон. Однако такой материал нужно было искать для постройки жилищ далеко от места залегания этих «блоков», приходилось прилагать много усилий по его транспортировке, следовательно, в древности такой материал могли позволить себе далеко не многие, так как он был элитным [6].
Наиболее древнее бетонное сооружение относят к 5600 г. до н.э. Оно найдено в Югославии. Это пол толщиной 25 см. Бетон для этого пола приготавливался на гравии и красноватой извести, доставлявшейся по течению реки за 400 км от места добычи.
Древнейшими вяжущими веществами для приготовления бетонных смесей являлись глина и жирная земля, которые после их смешивания с водой и высыхания приобретали прочность. На основе этих материалов приготавливались смеси типа бетонов, которые тогда широко применялись при строительстве различных построек - от глинобитных домов до громадных храмов - Зиккуратов.
Примеры использование раствора с крупным заполнителем были известны у египтян. Наиболее раннее применение бетона в Египте, обнаруженное в гробнице, датируется 1950 г. до н.э. По некоторым сведениям, бетон применяли при строительстве галерей египетского лабиринта и монолитного свода пирамид задолго до нашей эры. Это как раз и говорит о том, что тогда бетон был элитным материалом, так как из него строили лишь значимые объекты.
Одними из первых начали применять бетон народы Индии и Китая. Народы, жившие на островах Эгейского моря, начиная с У!!-У! вв. до н.э. уже применяли растворы на жирной извести с гидравлическими добавками. Искусство производства бетона распространялось в Восточном Средиземноморье и к 500 г. до н.э. достигло Древней Греции, где для покрытия стен использовался мелкозернистый известковый бетон.
Применение бетона в древнеримском государстве началось с конца IV в. до н.э. За это время он стал материалом для строительства дорог, жилых и храмовых построек во всей Империи. Римский бетон был водоупорным и состоял из известкового раствора, вулканического пепла и щебня из обожженного туфа. Этот материал сохранялся века, о чём говорит римский
Пантеон, построенный во II века н.э. Покрытие римских бань-терм тоже сделано из известкового бетона [4]. Однако в первоначальном римском бетоне (1У-Ш вв. до н.э.) в качестве вяжущего материала использовалась воздушная известь, а заполнителями были песок и камни, а также большое количество грунта. Начиная со II в. до н.э., бетон уже использовали в строительстве фундаментов жилых домов и храмов.
Примерно с I в. до н.э. состав бетона меняется: уменьшается размер заполнителей и количество земли, но вместе с тем растет прочность бетона. Во времена Юлия Цезаря начинают использоваться пуццоланы вместо песка. Пример их использования - сохранившийся волнолом близ Неаполя. К концу I в. до н.э. бетон уже занял лидирующее положение среди конструкционных материалов. Из него строят крупные общественные постройки с монолитными бетонными фундаментами и стенами. Уже тогда строители стандартизировали состав смеси -величина заполнителей уменьшилась, песок тщательно просеивался и разделялся по происхождению для разных работ.
В I в. н.э. возводятся огромные здания, где бетон применяется при строительстве фундаментов, стен и сводов куполов (Колизей, Золотой дом Нерона и др.). Со II в. н.э. бетон применяется в инженерных сооружениях, жилых и общественных зданиях. Бетон широко использовали до IV в. н.э., но в дальнейшем строительство из бетона постепенно исчезает, а после падения Римской империи рецепт его изготовления был забыт [2]. Стоит заметить, что из древности до нашего времени дошли только храмы, общественные здания, но ни одного жилого дома. Значит, в те далекие времена бетон считали особо ценным материалом, которого достойны лишь люди высшего света.
С конца XVIII века для фундаментов и балок начинают использовать монолитный бетон и до середины XIX века есть примеры строительства зданий из бетона, однако его тогда использовали как дешевый материал, без выявления декоративный свойств. После получения портландцемента в XIX веке началось применение бетона в массовом строительстве, так как молодые капиталистические страны нуждались в дешевом и доступном строительном материале. Вначале бетон использовался для возведения монолитных конструкций и сооружений [1]. Строились крытые павильоны и выставочные центры. Интерес к данному материалу сохранялся, поскольку он мог дать особое свойство - огнестойкость. Попытки же сочетать конструкционные и декоративные характеристики бетона были единичными [4].
С появлением железобетона, начинают применять подвижные смеси, но их применение затрудняло получение бетона высокой прочности и требовало повышенного расхода цемента. Поэтому большим достижением стало появление особого способа уплотнения бетонной смеси вибрированием. В эти же годы был предложен способ предварительного напряжения арматуры в бетоне, способствовавший снижению расхода арматуры в конструкциях и повышению долговечности. Среди первых построек, выявлявших пластические характеристики бетона, была церковь Иоанна Евангелиста в Париже. Её большие железобетонные арки, поддерживающие купол, выражали своеобразие нового материала. Изящество нервюр из железобетона выявляло пластическую гибкость материала, при этом стоимость строительства была снижена вдвое, нежели с использованием традиционных материалов [4].
Дальнейшее появление сборного железобетона ускорило темпы строительства и сопровождалось созданием новых вяжущих веществ и бетонов, улучшением методов проектирования состава бетона. Начинается массовое жилищное строительство, а простота и экономичность использования бетона ставят его как строительный материал на первое место. Однако это уже был не тот материал, который необходимо «тащить» издалека, так как он буквально «лежит под ногами». Поэтому из него строят и общественно-деловые постройки, и музеи, и жилые дома. Из разряда элитного материала он переходит в разряд повсеместно используемого при строительстве различных сооружений.
Что касается шедевров бетонной архитектуры, то к ним можно отнести Виллу Савой, построенную архитектором Ле Корбюзье. В этом здании он сочетает конструкционные качества бетона и его декоративные характеристики. Также интересен проект архитектора Фрэнка Райта «Дом у водопада», который был одним из первых бетонных особняков. Уже упомянутый Пантеон со своим куполом, частично сделанным из бетона, можно отнести к шедеврам, ибо его пролёт уже в то время перекрывал целых 43 метра. Нельзя забывать «Дом с Химерами» в Киеве, построенный архитектором Владиславом Городецким. Этот дом - первый в Киеве, построенный с использованием бетона. И каков размах - от фасада глаз не отвести! Всё декорирование выполнено с помощью бетона. Все эти шедевры, кроме Пантеона, выстроены примерно в одно время - в конце 19, начале 20 веков. Они выходят за рамки «серых, монотонных громадин» и доставляют большое эстетическое удовольствие, показывая, в противоположность современности, какие творения можно сделать из бетона и как можно извлечь его выразительность.
Каковы же перспективы использования бетона и железобетона в будущем? Мы считаем, что в ближайшее время бетон будет продолжать лидировать и, прежде всего, потому, что он в достаточной степени обеспечен сырьевой базой, в то время как другие источники сырья могут иссякнуть. Поэтому география железобетона будет расширяться за счет тех стран, где сегодня еще строят преимущественно из металла и дерева (Канада, Норвегия, Финляндия). Важным аргументом в пользу бетона является и рост населения в развивающихся странах (и соответственно рост потребности в жилье) в сочетании с такими факторами, как индустриализация и урбанизация, концентрация населения в крупных городах, экономия земли и рост этажности зданий. Для развивающихся стран насущной необходимостью становится индустриализация строительства, что также потребует развития бетона.
Имеются и внутренние факторы, свидетельствующие о перспективности бетона в архитектуре. Происходит непрерывное совершенствование технических свойств и технологии производства материала, которое ведет к повышению его прочности, снижению массы, внедрению эффективных методов и конструкций. Сейчас разрабатываются различные добавки в бетонную смесь - противоморозные, пластифицирующие (супер и гиперпластификаторы), гидрофобизи-рующие [7]. Постоянно совершенствуется состав бетонной смеси. Ведутся также исследования в области совершенно новых видов бетонов - нанобетонов, которые по своим характеристикам превосходят современные бетоны.
Нанобетон обладает рядом уникальных свойств [8]: высокая прочность; морозостойкость; высокая огнестойкость; низкое водопоглощение; низкая плотность. Особенно эти свойства важны при использовании нанобетона в несущих элементах зданий. Если говорить об армированном нанобетоне, то его преимущества перед железобетоном неоспоримы - снижение собственного веса конструкции, благодаря низкой плотности бетона, уменьшение количества арматуры, повышение пожарной безопасности зданий, удешевление и ускорение работ по строительству монолитных зданий [9]. Также такой бетон - это очень перспективный материал в сейсмоопасных зонах.
Особый интерес представляют собой самоуплотняющиеся бетоны (СУБ). СУБ повышает производительность в бетонном строительстве, он вносит значительные преимущества в отношении экологического аспекта строительства. Главным отличием СУБ от обычного бетона является его исключительная способность к деформации без механического вмешательства. Высокая деформативность и устойчивость позволяет СУБ свободно проходить через густое армирование и заполнять формы под собственным весом без вибраций. Считают, что физико-механические свойства затвердевшего СУБ такие же, как и у обычного бетона, с тем же водо-вяжущим отношением, но при этом СУБ обладает более высокими характеристиками, такими как прочность и долговечность. Улучшение производственных условий, ускорение процесса строительства, снижение необходимости в ремонте бетонных конструкций, повышение заво-
дской готовности железобетонных изделий и увеличение общей производительности труда являются неотъемлемыми преимуществами технологии самоуплотняющегося бетона [10].
Также совершенствуются и технологии высокопрочных бетонов. Если раньше бетон марки 400 считался высокопрочным, то в скором времени, с повышением активности цемента и наращиванием объемов его производства, на смену ему придут более прочные бетоны марки 800 и выше. Значительная часть несущих конструкций промышленных и транспортных сооружений выполняется из сборного железобетона. Применение высокопрочных бетонов позволяет сократить расход материалов, снизить вес и стоимость конструкций, одновременно с этим и уменьшить трудоемкость их изготовления и монтажа. Использование высокопрочных бетонов даст возможность значительно увеличить производительность заводских стендов без существенных изменений технологии работ. Применение высокопрочных бетонов открывает пути к созданию новых, более экономичных конструктивных решений (особенно перекрытий больших пролетов), позволяющих снизить вес конструкции за счет более полного использования материала [11].
Не стоит забывать и о предварительно напряженном железобетоне. Области применения предварительного напряжения - резервуаростроение, центрифугированные конструкции (колонны, сваи), несущие конструкции каркасных зданий. Зарубежный опыт показывает значительную эффективность применения предварительного напряжения в монолитных плитных фундаментах большой протяженности, безбалочных монолитных перекрытиях, опорных устройствах под тяжелое оборудование. К чемпионату мира по футболу в 2018 г. по всей стране должно развернуться массовое строительство автомобильных дорог, что потребует возведения большого количества мостов. Международный опыт говорит, что автодорожные мосты целесообразно строить из преднапряженного железобетона. Увеличение этажности и размера сеток колонн многоэтажных производственных зданий потребует более широкого использования предварительного напряжения в конструкциях колонн, ригелей и большепролетных плитах перекрытий [12]. Большое количество защищенных диссертаций и научных работ по этой теме также говорит о том, что бетон является материалом с высоким потенциалом [13]. Интерес к данному материалу крайне высок, о чём говорит проводимая уже в третий раз международная конференция «Бетон и железобетон - взгляд в будущее» [14].
В настоящее время даже разрабатывается технология 3й печати из бетона, с помощью которой в будущем будет возможно создавать полноразмерные строительные компоненты, что даст архитекторам полную свободу, поскольку компоненты создаются непосредственно по цифровым моделям. Для такой печати был разработан специальный вид бетона, прочность которого составила 95% от прочности обыкновенного бетона, также была показана опытная модель скамьи [15].
Интересна разработка венгерского архитектора Аарона Лосконши - прозрачный бетон. Этот материал способен пропускать свет, при этом его несущая способность остаётся на уровне обычного бетона. Секрет кроется в сочетании компонентов обычного бетона и стекловолокна. С помощью него можно осуществлять различные замыслы дизайнеров. Однако пока стоимость такого материала слишком высока [16].
Специалисты института монолитного строительства при Дрезденском техническом университете разработали новый строительный материал - углебетон. По сути дела, это аналог железобетона, но он более легкий и прочный за счет использования углеволоконной арматуры, вместо стальной. Арматурой служит особый текстильный материал, именуемый углетканью, хотя на самом деле это нетканое полотно, производимое на вязально-прошивных машинах. Помимо легкости и прочности, к важным достоинствам углебетона относится его долговечность, значительно превышающая долговечность традиционного железобетона, в котором уже мельчайшие трещины чреваты коррозией арматуры. Огромное преимущество углебетона и в том, что он не ржавеет, и можно сэкономить много бетонной смеси. При стальной арматуре
требуется наружный защитный слой бетона толщиной не менее двух сантиметров, а углеволо-конная арматура позволяет обойтись гораздо более тонким слоем. Области применения такого бетона: укрепление имеющихся старых строений, которые иначе пришлось бы сносить, а также новое строительство. Так, удалось возвести необычный павильон высотой более четырех метров из изогнутых углебетонных элементов толщиной всего в четыре сантиметра. Построить подобное здание из железобетона было бы крайне сложно и дорого [17].
Таблица 1 - Периоды использования бетона и изменение его состава
Упоминание в истории Место Состав Применение Отношение к материалу
5600 г. до н.э. Югославия Гравий, красноватая известь Бетонный пол -
1950 г. до н.э. Египет Глина, жирная земля, крупный заполнитель Галлереи египетского лабиринта, Зиккураты Элитный, строятся значимые объекты
У!!-У! в. до н.э. Индия, Китай Жирная известь с гидравлическими добавками, крупный заполнитель Элементы зданий и сооружений То же
IV-!!! в. до н.э. Древний Рим Воздушная известь, песок, камни, большое количество грунта Фундаменты, стены
!!! в. до н.э. -! в. н.э. Известковый раствор, вулканический пепел, щебень из обоженного туфа, пуццоланы Фундаменты, стены, купол Пантеона, сооружения
! в. н.э. - XV!! в. н.э. Бетон не используется
XV!! в. - сер. Х!Х в. Крупные государства Известковый раствор, песок, щебень Фундаменты, балки, столбы Значимость уменьшается
Сер. Х!Х в. -по н.в. Повсюду Портландцемент, песок, крупный заполнитель, добавки Здания и сооружения Массовое строительство, это недорогой, доступный материал
Заключение. Более ста лет бетон и железобетон сопутствуют развитию архитектуры. За это время они прошли стадии повторения в традиционных формах использования в разных по значимости конструктивных элементах и в соединениях с другими строительными материалами. По мере их освоения менялось отношение к их конструкционным и декоративным свойствам. В ходе работы мы выяснили, что бетон был известен еще в глубокой древности, однако потом его рецепт был утерян.
Стало также ясно, что в древности люди использовали его исключительно как дорогой и особо ценный материал. Из него возводили только значимые постройки, но после своего «возрождения», он стал использоваться, в основном, как утилитарный, легкодоступный и недорогой материал, хотя всё-таки примеры его первоклассного применения можно также найти.
Что же касается его будущего, то этот материал очень перспективен и методы его совершенствования могут быть различными, что делает его только «могущественней». Уникальность достоинств бетона - практически повсеместная доступность компонентов, экономичность, долговечность, возможность повторного использования и легкая перерабатываемость - сделали его наиболее широко применяемым строительным материалом в мире. И в ближайшем будущем, по прогнозам, он будет превалировать среди материалов, идущих на создание новой и поддержание существующей мировой инфраструктуры [18].
Список литературы:
1. Баженов Ю.М. Технология бетона. - М.: АСВ, 2002. - 500 с.
2. Кочетов В.А. Римский бетон - из истории строительства и строительных технологий Древнего Рима. - М.: Стройиздат, 1991. - 111 с.
3. Wearing J. Edison's concrete piano and 12 other flops from great inventors-2009.
4. Суздальцева А.Я. Бетон в архитектуре ХХ века. - М.: Стройиздат, 1981. - 208 с.
5. Дорофеев В. Возможности бетона // Техника молодежи. - 2003. - № 4. - С. 9
6. Пирожников Л.Б. Занимательно о бетоне. - М.: Стройиздат, 1986. - 104 с.
7. Младова М.В. Катехизис по бетону. - М.: ФГУП «ПИК Винити», 2005. - 127 с.
8. Кишиневская Е.В. Перспективы применения нанобетона в монолитных большепролетных ребристых перекрытиях с постнапряжением / Е.В. Кишиневская, Н.И. Ватин, В.Д. Кузнецов // Инженерно-строительный журнал. - 2009. - № 2. - С. 54-58.
9. Пономарев А.Н. Высококачественные бетоны. Анализ возможностей и практика использования методов нанотехнологии // Инженерно-строительный журнал. - 2009. - № 6. -С. 5-33.
10. Весь бетон: материалы сайта http://www.allbeton.ru/article/279/13.html
11. Берг О.Я. Высокопрочный бетон. - М.: Стройиздат, 1971. - 209 с.
12. Звездов А.И. Предварительно напряженный железобетон: состояние и перспективы развития / А.И. Звездов, К.В. Михайлов, Ю.С. Волков // Бетон и железобетон. - 2000. - № 5. -С. 2-7.
13. Электронная библиотека диссертаций. - 2014 [Электронный ресурс]. -URL: http://www.dissercat.com/search/бетон (дата обращения: 10.05.2014).
14. Конференция «Бетон и железобетон-взгляд в будущее», 2014 [Электронный ресурс]. - URL: http://concrete2014.mgsu.ru/ (дата обращения: 21.04.2014).
15. Онлайн журнал «Progrinding» [Электронный ресурс]. 2014. -URL: http://progrinding.ru/2012/08/16/3d-pechat-budushhee-betona (дата обращения: 25.04.2014).
16. Каталог строительных организаций [Электронный ресурс]. - 2014. -URL: http://stroitelstvo.org/interesno/prozrachnyy_beton (дата обращения: 12.03.2014).
17. Сайт союза производителей бетона [Электронный ресурс]. - 2014. -URL: http://www.concrete-union.ru/articles/index.php?ELEMENT_ID=13039 (дата обращения: 15.04.2014).
18. Трамбовецкий В.П. Новые подходы к технологии бетона и перспективы её развития // Технологии бетонов. - 2013. - № 4. - С. 37.
