Фундамент

 

Если быть кратким, то основание, или фундамент – это конструированное и статическое формирование перехода от строения к грунту с той целью, чтобы деформации земли, вызванные сооружением и его эксплуатацией, были меньше допустимых с точки зрения строительного дела.

 

Понятие цоколь употребляется как для обозначения лежащих в земле частей, то есть собственно основания, так и для обозначения технически – либо только оптически – относящихся к основанию сооружения надземных частей.

Различают сплошной фундамент неглубокого залегания и искусственное основание (глубокий фундамент).

У неглубокого фундамента нагрузка фундамента приходится на верхние слои почвы.

При искусственном основании нагрузка от здания посредством свай, траншейных стенок или скважин отводится в более глубокие слои земли.

Кроме того, принято различать между отдельным (столбчатым) фундаментом, ленточным (полосным) фундаментом и фундаментом в виде сплошной плиты.

 

Столбчатые фундаменты сооружаются, как правило, для отдельных опор или изолированных элементов здания, таких, как дымовые трубы и тому подобное.

 

Ленточные фундаменты являются самыми распространенными. Они принимают на себя нагрузку сооруженных на них несущих стен, в то время как ненесущие внутренние стены, как правило, ставятся прямо на половую плиту. Их ширина зачастую вдвое больше стоящих на них стен; точные параметры и в случае необходимости армирование складываются из несущей способности грунта на застраиваемом участке. Фундаменты часто делают из бетона с классом прочности C20/25 или C25/30.

 

Фундаменты в виде сплошной плиты, или опорные плиты, применяются, если отдельные и ленточные фундаменты неэффективны из-за высоких строительных нагрузок. При незначительных нагрузках применение опорной плиты может быть также более эффективным, так как затраты рабочего времени в соответствующих условиях будут ниже. При этом всю донную плиту выполняют как фундаментную плиту. Фундаментная плита непрерывно армируется в верхнем и нижнем поясах. Сбоку она часто выступает над наружным краем подвальных стен. Перед бетонированием плиты основания на дно строительного котлована укладывается тонкая защитная прослойка из тощего бетона и/или прочная полиэтиленовая пленка с тем, чтобы при бетонировании арматура не сдвигалась и бетон не смешивался со строительным грунтом. Под донную плиту, как правило, закладывается преломляющий капиллярное соединение дренажный слой из гравия. Таким образом, поднимающаяся снизу влага не сможет проникнуть к фундаментной плите. В плиту основания, кроме того, вносится фундаментная земля, которая служит всему электрооборудованию для выравнивания потенциалов (для заземления).

 

Рельефные фундаменты

При этом виде фундамента распределение нагрузки достигается давлением.

 

Жесткие на изгиб фундаменты

У данного вида фундамента распределение нагрузки происходит за счет давления и тяги внутри фундамента.

 

Подвальные ванны необходимы, если напорные воды залегают близко, что означает возможное повышение горизонта воды над основанием фундамента, к примеру, вблизи водоемов или при очень высоком уровне подземных вод или пластовой воды. В зависимости от исполнения различают белые и черные ванны.

 

В качестве черной ванны обозначается изготовленная из плотного битумного покрытия или пластиковых дорожек, находящаяся в почве уплотняющая (герметичная) прослойка в сооружении.

Это уплотнение располагается, как правило, на внешней стороне здания.

Возле стен оно редко контактирует непосредственно с почвой. Для защиты уплотняющего слоя на наружной стороне обычно делается защитный слой, например, из кирпичной кладки.

У плиты основания уплотнение клеится на дополнительный слой бетона, который служит подготовительной прослойкой. Оно должно быть изготовлено в нескольких областях перед строительством собственно несущей конструкции, что требует особой тщательности, поскольку последующая реконструкция (санация) едва ли возможна и/или будет очень затратной и дорогостоящей.

Этот способ проведения строительных работ применяется главным образом при наличии напорной воды, что означает, что здание стоит ниже уровня залегания грунтовых вод.

 

Черная ванна в наши дни представляет собой устаревший способ строительства, который используется преимущественно в строительном санировании. По причине высокой стоимости изготовления из-за большого числа рабочих операций и затруднительной санации в случае повреждения черные ванны при строительстве новых зданий применяются сегодня крайне редко. Вместо этого, как правило, делаются белые ванны из водонепроницаемого бетона, так как за долгое время данная техника уже достаточно усовершенствована.

 

Белая ванна сама по себе является водонепроницаемой. Наружные стены, плита фундамента и потолок изготавливаются при этом из водонепроницаемого бетона, за счет чего нет надобности в дополнительном уплотняющем (герметичном) слое и - в зависимости от обстоятельств - в дренаже.

Названные выше конструктивные детали «черная ванна» и «белая ванна» являются одновременно носящими и уплотняющими элементами. Следовательно, по сравнению с черной ванной способ белой ванны получает значительные преимущества в экономии времени и затрат. При правильном планировании и технически грамотном исполнении издержки соответственно высоки, поскольку иначе в случае превышения нагрузки от напорной воды над расчетной при замеренном уровне воды могут относительно быстро появиться течи.

 

При правильном планировании белая ванна является водонепроницаемой. Это предполагает, что в целом, имели место качественный строительно-физический и микроклиматический анализ, а также квалифицированное исполнение. Ранее допускалось, что вследствие диффузии, напора и капиллярной впитывающей способности наблюдается постоянная передача влаги по элементам конструкции. В соответствии с новейшими исследованиями для достаточно толстых, не имеющих трещин строительных деталей из бетона (d>=20 см) это не так.

 

В принципе можно исходить из трехзональной модели. Она не зависит от гидростатического давления воды на соприкасающийся с водой элемент здания. Для бетона C30/37 при соотношении цемент : вода, максимум 1 : 0,55 получаем, к примеру, следующие условия.

 

Первая зональная модель

Близко залегающая вода!

Эта сфера делится еще раз на лежащую снаружи область напорной воды (0-25 мм) и расположенную далее капиллярную область (<=70 мм). Взаимодействия воды в порах с цементными фракциями ведут к значительному снижению капиллярной передачи.

Вторая зональная модель

Центральная часть!

При достаточной толщине строительных деталей (d>=20см) вода через внутреннюю область не передается. Здесь не происходит проникновения воды снаружи вовнутрь даже в форме водяного пара.

Третья зональная модель

Диффузионная область к внутреннему пространству!

С внутренней стороны образуется область высыхания (от 40 до 80 мм). Излишняя влага такого минерального строительного материала, как бетон, при сухом режиме эксплуатации помещения выходит в воздух внутри помещения. В первые годы сухой эксплуатации устанавливается равновесная влажность. Бетон в зональной модели 3 приспособился к среде эксплуатации.

Для функциональности белой ванны требуется снаружи водонепроницаемого бетона провести уплотнение рабочих и деформационных (температурных) швов, а также найти расчетное ограничение ширины трещины железобетона до 0,2 мм максимально; в зависимости от гидравлического давления путем соответствующего повышения и подбора железобетонной арматуры достигается правильная геометрия конструктивных элементов. Кроме того, встраивание и уплотнение бетона должно быть проведено тщательнейшим образом, в особенности недопустимо расслоение бетонной смеси, правильная же дополнительная обработка обязательна.

Для уплотнения швов используются специальные уплотнительные ленты, уплотнительное листовое железо, набухающие ленты или прессованные шланги.

Требования к белым ваннам четко регулируются инструкциями по строительству сооружений с использованием железобетонных конструкций и изделий, по строительству водонепроницаемых бетонных сооружений, и они должны неукоснительно соблюдаться.

В соответствии с этими требованиями нагрузка делится на два класса. Класс нагрузки 1 действителен для напорной и безнапорной воды, а иногда и для накапливающейся просочившейся воды, класс нагрузки 2 – для почвенной влаги и не застаивающейся фильтрационной воды.

Кроме того, установлены классы эксплуатации в зависимости от функции строения и от эксплуатационных требований строительных элементов и деталей.

 

При классе эксплуатации А не допустимы перенос влаги в виде жидкости, просачивание воды.

Для класса эксплуатации В допускается появление влажных участков на поверхности конструктивных элементов, то есть в отличие от класса эксплуатации А обязательным требованием является лишь ограниченная водонепроницаемость.

Наряду с этим есть еще и особо оговоренный класс эксплуатации для классической белой ванны, то есть здесь применяется класс нагрузки 1, класс эксплуатации А.

 

Таблица рекомендуемой минимальной толщины

 

Конструктивный элемент	Класс нагрузки	Бетонная смесь, уложенная на месте работ (местный бетон)	Стены конструкции	Готовые детали
Стены	1	240 мм	200 мм	200 мм
Стены	2	200 мм	200 мм	100 мм
Плиты для пола	1	250 мм	-	200 мм
Плиты для пола	2	150 мм	-	100 мм

 

 

Армирование и арматура

 

В бетон, который сам по себе является недостаточно стойким по отношению к силам растяжения, укладывается железо для приема растягивающего усилия или дополнительного сжимающего усилия.

В этом случае говорят о железобетоне. Специальный слой в бетоне называют арматурным железом или стальной арматурой. Для закладки арматуры разрабатывается чертеж (схема) армирования. Армирование может производиться как для снятия сил растяжения, в большинстве случаев от изгиба или растяжения при изгибе, так и для сокращения силы сжатия (как в балках).

Если сталь предварительно напряжена и заделана под этим напряжением, то говорят о предварительно напряженном железобетоне. Использование материалов из стекловолокна и пластикового волокна в настоящее время является еще таким же исключением, как и применение коротких волокон.

 

Армирование и арматура в штукатурке

Здания укрепляются путем закладки в их критических областях тканой сетки из синтетических материалов либо цельнотянутой металлической решетки. Арматура, в общем, предотвращает образование разрывов в слое штукатурки, что особенно важно для комплексной системы теплоизоляции здания.

 

Армирование и арматура в бесшовном напольном покрытии

Сплошные монолитные полы во избежание образования разрывов и трещин также армируются, прежде всего, если сверху кладется склонное к образованию трещин половое покрытие (например, плитка). Используются при этом простые стальные или пластмассовые сетки, а в последнее время все чаще встроенные короткие волокна, которые могут быть изготовлены из железа, стекла или пластмассы.

На подобных принципах основывается, впрочем, и волокнистый цемент, и изготовление полимерного материала, армированного стекловолокном, или короче – стеклопластика.

 

Формы и свойства стали

В настоящее время почти исключительно применяется арматурная сталь с характерным напряжением текучести (пределом текучести при растяжении) от 500 Н/мм². Требования к качеству регулируются германскими промышленными нормами (DIN).

Железобетон производится в разнообразных формах.

 

Деформированная при высокой температуре арматурная прутковая сталь BSt 500S

как деформированные в нагретом состоянии рифленые (ребристые) стальные пруты диаметром 6, 8, 10, 12, 14, 16, 20, 25, 28, 32, 40 и 50 мм, причем в Германии до начала 2006 года только для диаметра до 28 мм не требовалось особого разрешения на эксплуатацию, а привычная поставляемая длина достигает обычно 24 м.

 

Деформированная в холодном состоянии стальная арматурная сетка BSt 500M

в различных вариациях, как готовая сваренная сетка из ребристого, периодического профиля и холоднодеформированного стального прута диаметром до 12мм.

 

Круглая стальная арматура с кольцами BSt 500 WR

горячекатаная, диаметром от 6 до 16 мм, и BSt 500 KR, холоднорифленая, диаметром от 6 до 16 мм, для дальнейшей обработки на станке для правки арматурных стержней, газовым резаком или на гибочном станке для арматурных стержней.

 

Арматурная проволока периодического профиля BSt 500 P (с профилем) и BSt 500 G (гладкая)

с диаметром от 4 до 12 мм, к примеру, для армирования железобетонной трубы либо газобетонных элементов или шахтных конструкций.

 

Современная стальная арматура по своим деформационным свойствам характеризуется модулем упругости от 200.000 до 210.000 Н/мм² и разделением на классы растяжимости (вязкости, ковкости). В Германии есть сталь нормальной ковкости класса А для холоднодеформированной арматуры с соотношением между прочностью при растяжении и пределом текучести при растяжении (напряжением текучести) минимально от 1,03 и удлинением стали при предельной нагрузке как минимум 2,5 %, а также класс В высокой ковкости для горячедеформированной стальной арматуры с указанными параметрами как минимум 1,08 и 5 % соответственно.

Наряду с этим должна быть упомянута высококовкая сталь класса С, устойчивая к землетрясениям, с соотношением между прочностью при растяжении и напряжением текучести как минимум 1,15 и удлинением при предельной нагрузке как минимум 8 %. Эта сталь имеет сокращенный предел текучести около 450 Н/мм² и используется в отдельных районах Европы.

 

Коэффициент теплового расширения у стали в среднем, как у бетона 10 – 5 (1/°K), напротив, коэффициент теплопроводности (эффективная теплопроводность) 50 (Вт/(м×К)) отличен от бетона. На сегодняшний день вся арматурная сталь пригодна для сварки.

Важное свойство арматурной стали – это ее сцепление с окружающим ее бетоном. Для улучшения сцепления навинчиваются или накатываются ребра. Ребра имеют максимальную высоту - 4,5 % и расстояние – 60 % от диаметра прута.

За счет рифленой поверхности достигается сцепление зубцами между бетоном и железом, что делает возможным оптимальный перенос сил через маленькую длину сцепления арматуры с бетоном.

 

Защита от ржавчины или коррозии

Находящийся в бетоне цементный камень защищает арматурную сталь от коррозии вследствие щелочной среды с уровнем кислотности pH = 12-14. При значении ниже 10 эта защита, так называемая пассивация, больше невозможна.

Для лучшей защиты от коррозии арматуру можно оцинковать горячим способом или покрыть слоем эпоксидной краски.

Использование нержавеющей стали также возможно. Все три возможности обычно подлежат контролю качества работ и после этого могут быть допущены к применению.

 

Маркировка арматурной прутковой стали

В настоящее время прутковая сталь для армирования имеет две рифленые (ребристые) поверхности. На одной поверхности путем особого расположения наклонных ребер маркируется сорт арматурной стали. Вторая поверхность имеет маркировку завода-производителя, которая ставится как минимум на каждом метре. Маркировка начинается после двух расширенных наклонных ребер, и сначала приводится название страны, а в конце указывается завод-производитель (между расширенными наклонными ребрами). Поле для указания завода-изготовителя может состоять из разрядов десятков и единиц.

 

Известные виды GEWI-стали – это стальная арматурная и предварительно напряженная стальная арматура с наклонными ребрами, которые выполнены на манер винтовой резьбы. При этом становится возможным механическое соединение через резьбовую муфту, что может использоваться также для установки опалубки. В качестве замены поперечного армирования применяется решетчатая балка как жесткая на изгиб арматура в полусборных перекрытиях и стенах, а также головной анкер и дюбельная подбойка (для ручного уплотнения бетона).

 

Арматурная сталь имеет свою историю

Изобретателем железной арматуры был француз Жозеф Монье (Joseph Monier), арматурную проволоку называют по его имени «сталью Монье». Он был садовником и очень раздражался оттого, что его бетонные кадки для цветов часто разрушались корневой системой растений.

Другие более старые, но все еще употребляемые обозначения – это арматурная сталь как противоположность конструкционной (строительной) стали или спокойная сталь как противоположность стали для предварительно напряженной арматуры.

 

Развитие

До середины 30-х годов 20 века для армирования использовалась не специальная стальная арматура, а пруты, листовое (полосовое) железо и профиль с гладкой поверхностью и напряжением текучести около 250 Н/мм² или выше.

Усиление несущей способности гладкой стали при этом достигалось в основном за счет анкерования крюками и анкерными петлями и в меньшей степени через сцепление межу бетоном и железом.

Арматурная сталь «истег», состоящая из двух круглых скрученных стержней из гладкой строительной стали, которые сплетены в двухпроводной канат, стала с 1933 года первой специальной арматурой с улучшенной способностью к сцеплению.

В то же время в Германии была допущена к использованию арматурная сетка, состоящая из матов или роликовых блоков (до 6 мм). В 1935 года путем скручивания круглой арматурной стали с целью экономии материалов была создана высокопрочная арматура, сначала без поперечного рифления. В 1937 году стальная арматура была разделена на группы.

Группа I включает BSt 22/34 с минимальным пределом текучести при напряжении 220 Н/мм².

Группа II – BSt 34/50 с минимальным пределом текучести 340 Н/мм².

Группа III – BSt 42/50 с минимальным пределом текучести 420 Н/мм².

Группа IV по свойствам соответствует сегодняшней арматурной стали.

При проверке расчетов или при усилении старых построек необходимо учитывать предел прочности старых сортов стали в статических расчетах. С 1959 года строительными стандартами допускается использование качественной наклонноребристой крученой арматурной стали «тор» как арматуры IIIb. Для придания дополнительной прочности она еще на заводе путем проворачивания и перекручивания деформируется холодным способом. Сегодняшняя ребристая форма была окончательно разработана с 1961 года для улучшения предела выносливости при знакопеременной нагрузке арматурной стали IV.

 

Чертеж армирования

представляет собой чертежную схему армирования железобетонной конструкции арматурой.

Это в чистом виде рабочие строительные чертежи, по которым арматура нарезается прутьями, гнется и, наконец, кладется на стройке бетонщиком, так называемым плетельщиком арматуры.

Арматурные чертежи выполняются на основе заранее разработанной инженером статики (статической характеристики).

Схемы армирования чертят чертежники-строители и техники-строители. Дальнейшей основой для арматурной схемы служит опалубочный чертеж, который отображает форму железобетонного блока.

Сегодня арматурные чертежи изготавливаются большей частью на компьютере при помощи программ CAD (системы автоматического проектирования). Схемы армирования уже редко чертятся вручную при помощи чертежных приборов.

За правильность статических расчетов и базирующихся на них арматурных чертежей несет ответственность инженер либо ЭВМ.

В Германии еще действует, за исключением мелких строений, принцип четырех глаз в виде контроля арматурных чертежей, так же, как и статических вычислений: либо экспертом, либо инженером-испытателем по технологии строительства.

 

Прочность при растяжении

это натяжение, которое рассчитывается при испытаниях на разрыв из удельной максимальной силы тяги (растяжения), приходящейся на исходную площадь поперечного сечения образца. Условное обозначение прочности при растяжении в формуле – Rm. Характеристика прочности на разрыв – сила в расчете на единицу площади. Часто используемые единицы измерения – это Н/мм² или МПа (МегаПаскаль). Величины напряжения (прочность при растяжении, предел текучести), которые можно увидеть на диаграмме «напряжение-деформация» (диаграмме растяжения), не соответствуют действительному напряжению материалов. Причина этого в том, что при расчете предела текучести сила тяги относится на исходное поперечное сечение. В действительности поперечное сечение при испытаниях на растяжение образца меньше, чем исходное (имеет место сужение поперечного сечения, при растяжении шейка деформируется). При упруго-пластичной деформации испытуемых образцов из дуктильных (ковких, пластичных) материалов это изменение формы (удлинение и деформация шейки при растяжении) после проведения испытания можно увидеть и измерить. Часто различают фактическое напряжение σ_факт. и номинальное напряжение σ_номин. – это инженерное напряжение.

Предел прочности при растяжении, таким образом,

показывает не фактическое напряжение образца в

момент разрыва, в действительности его значение

меньше.

Истинный максимум напряжения возникает в зоне

шнурования образца. В этой области нарастает

деформация и, в крайнем случае, затвердевание до

разрыва. В экспериментальных испытаниях с

применением специального оборудования поперечный

срез образца непрерывно обмеряется и сила

соотносится с истинным поперечным срезом.

Вертикальные поперечные срезы S₀ исследованных

образцов показывают непрерывное нарастание

фактического напряжения до момента разрыва.

Определенное таким способом значение имеет, однако,

лишь теоретическую важность.

Тогда почему прочность при растяжении?

Прочность при растяжении в прошлом часто использовалась для характеристики строительных материалов. Примером этому служит маркировка строительной стали. Так, сталь 52 (St52) по своей прочности характеризуется величиной 52 килограмм-сила/мм ² (510 Ньютон/мм ²). На основе гармонизации европейских и международных норм маркировка многих видов стали в настоящее время осуществляется по такому параметру, как напряжению текучести (предел текучести при растяжении), который с конструкционной точки зрения является наилучшим показателем для характеристики предельно допускаемой нагрузки для строительных материалов.

 

Напряжение и растяжение

В технике зачастую очень важно точно знать свойства используемого строительного материала по его прочности, пластичности и / или хрупкости, эластичности и некоторых других свойств.

С этой целью образцы материалов подвергаются испытаниям на растяжение, при которых образец с известным исходным поперечным сечением неподвижно закрепляется в разрывной машине и подвергается воздействию силы растяжения F. При повышении значения силы для вызванной линейной деформации (абсолютного удлинения) ΔL графически изображают кривую силы растяжения. Полученный график представляет собой диаграмму «Сила-Удлинение».

 

Для получения диаграммы, которая зависит только от вида и структуры испытуемого материала, а не от геометрических параметров образца, применяют уменьшенные единицы измерения: это означает, что изменение длины (абсолютная продольная деформация) ΔL соизмеряется с первоначальной длиной L₀ и силой F, приходящейся на вертикальный поперечный срез S₀ физического тела.

 

В зависимости от того, протекает ли опыт с регулируемым напряжением или с регулируемым удлинением (растяжением), напряжение или удлинение является независимой переменной. В широкое употребление, однако, вошло выносить на графике напряжение над удлинением.

Различают следующие зоны: зону пропорциональности («прямая Гука»), где удлинение пропорционально напряжению и, тем самым, действует закон упругости Гука, и зону вязкоупругости, где деформация еще обратима, но уже непропорциональна напряжению.

Наконец, достигается предел упругости, при переходе через который деформация пластична (видима) и, значит, необратима. Строительные стали характеризуются явно выраженным эффектом предела текучести, который вызывается интерстициально (промежуточно) включенными чужеродными атомами примеси, к примеру, атомами углерода и азота.

 

Внутренняя жизнь бетона

 

Бетон представляет собой искусственную каменную породу из цемента, минерального заполнителя или камня зернистой структуры (это может быть песок, хрящеватый песок, гравий и галька или каменные высевки) и из воды. Кроме того, бетон может содержать бетонные присадки и добавки.

Цемент служит в качестве вяжущего средства, скрепляющего остальные компоненты раствора.

Прочность бетона возникает за счет выкристаллизовывания клинкерного компонента цемента, посредством чего образуются мельчайшие игольчатые кристаллы, которые прочно скрепляются зубцами. Образование кристаллов продолжается месяцами, так что окончательная прочность достигается лишь по прошествии продолжительного периода времени после литья бетона.

Средняя величина зависит от класса прочности цемента. Исходят из того, что при нормальной температуре и соответствующей влажности после 28 дней достигается нормальная прочность.

Бетон может выдерживать высокое давление - 40 Н/мм²  и выше, что соответствует ок. 250 малолитражным автомобилям на одном листе белой бумаги формата А4. Однако же он не справляется даже с низкой растягивающей нагрузкой (4 Н/мм² и меньше). Несмотря на это бетонный стержень, подверженный растягивающему напряжению только через собственный вес, сломался бы уже при длине примерно 160 м.

Поэтому в строительстве высотных зданий и подземных сооружений бетон часто используется с арматурой как железобетон или с предварительно напряженной арматурой как напряжённо-армированный железобетон. В этом комплексном строительном материале бетон принимает на себя, прежде всего, сжимающие силы, а окруженная бетоном сталь, в первую очередь, растягивающие силы.

Искусственная порода бетон имеет два специфических, зависящих от времени свойства.

Во-первых, бетону присуще уменьшение объема при сушке, или укорачивание, что мы обозначаем понятием «усадка». Большая часть воды при этом все-таки связывается как кристаллизационная вода. Таким образом, правильнее будет сказать, что бетон не высыхает, а затвердевает. То есть сначала жидкотекучее цементное тесто (цемент + вода) приобретает твердость, схватывается и, наконец, становится твердым и прочным, в зависимости от времени и протекания химико-минералогической реакции цемента с водой, гидратации. Благодаря водоудерживающей способности (гигроскопичности) цемента бетон, в отличие от обожженной извести, может затвердевать и оставаться прочным и под водой тоже.

Во-вторых, он деформируется под действием груза – так называемая ползучесть.

 

Мы различаем бетон и бетон

 

Бетон различается по:

• плотности в сухом состоянии на

легкий 400-2000 кг/м³

нормальный 2200-2800 кг/м³

тяжелый 2800-3500 кг/м³

• прочности при сжатии

• месту изготовления, использования или состоянию затвердевания. Это может быть, например, бетон, приготовленный на стройплощадке; бетон заводского изготовления, перевозимый на место работ; водонепроницаемый бетон; бетон для подводного бетонирования; свежеуложенная бетонная смесь; бетон, набравший прочность.

• консистенции, как, например, самоуплотняющийся бетон, текучий, жесткий, набивной бетон, бетонная смесь, подаваемая насосом.

 

Свойства бетона зависят от:

а) рецептуры и содержания цементного компонента, количества воды для затворения, водоцементного отношения (соотношение воды и цемента),

b) переработки, уплотнения и дообработки.

Таблица смешивания

Все данные приведены в литрах

Емкость смесителя	50	75	100	120	150	175	200
Сухой заполнитель/уплотненная бетонная смесь	33	50	65	78	98	114	130
Объем воды	6	8	11	13	16.5	20	24
C 16/20 EU-Цемент/100-200 RU- Цемент	8	12	16	19.5	24.5	28.5	32.5
C 20/25 EU- Цемент /200-300 RU- Цемент	10	15	20.5	24.5	32	37	42
Влажный заполнитель/добавление воды	4.5	7	9	11	14	16	18
C 16/20 EU- Цемент /100-200 RU- Цемент	8	12	16	19.5	24.5	28.5	32.5
C 20/25 EU- Цемент /200-300 RU- Цемент	10.5	16	21.5	25.5	33	38	43

 

У бетона есть история

Обожженная известь использовалась египтянами для возведения пирамид.

Римляне изобрели opus caementitium (opus = произведение, строение caementitium), где наполнителем был бутовый камень, из чего мы в наше время вывели слово «цемент». Данный строительный материал, называемый также римским бетоном, или известняковым бетоном, состоял из обожженной извести, воды и песка, mortar - строительного раствора, в смеси с бутовым камнем, и обнаруживал высокую прочность на сжатие. Из этого материала, среди прочего, были построены акведуки и свод пантеона в Риме, имеющий диаметр около 43 м и сохранившийся до наших дней.

Существенным улучшением, разработанным римлянами, было использование инерционных добавок, которые в основном состояли из остатков обожженных глиняных материалов (кирпича и черепицы) и обладали свойством сохранять целостность и не образовывать трещин при изменениях температуры.

Это можно уже в наше время наблюдать в селениях Северной Африки, например, Лептис Магна, Кирена, где есть поверхности с монолитным покрытием, которые были сделаны ок. 200-300 гг. до н.э. и несмотря на большие амплитуды колебания температур в дневное и ночное время сегодня еще свободны от трещин.

Спорно применение римского бетона при строительстве купола собора во Флоренции (Собор Maria del Fiore). Купол был построен в 1420-1431 гг. Филиппом Брунеллески (Filippo Brunelleschi) и при диаметре 45 м и высоте 107 м долгое время оставался самым большим куполом в мире.

Название бетон пришло из старофранцузского языка (bethyn / becton для каменной кладки) и происходит от латинского bitumen – вяжущее вещество, илистый песок, ископаемая смола, горный деготь, замазка.

Появление самого слова ведет нас к Бернарду де Белидору (Bernard de Bélidor), который впервые употребил слово «бетон» в своем фундаментальном труде «Architecture hydraulique» как синоним для строительного раствора.

Усовершенствование бетона в Новое время началась в 1755 года и связано с именем англичанина Джона Смитона (John Smeaton). В поисках водостойкого раствора он проводил эксперименты с обожженной известью и глиной и при этом установил, что для самозатвердевающего цемента из природного мергеля необходима определенная доля глины. Изобретение роман-цемента англичанином Дж. Паркером (J. Parker), а также портландцемента его соотечественником Дж. Эпстайном (J. Apsdin) в 1824 году подготовило, в конце концов, современное строительство бетонных сооружений.

Далее большим скачком в развитии послужило изобретение железобетона Жозефом Монье (Joseph Monier), патент 1867 года. Поэтому и в наши дни арматурную сталь иногда еще называют сталью Монье.

В современном искусстве бетон используется даже для создания памятников и скульптур.

Очень экзотично и волнующе применение, которое бетон находит в кораблестроении, к примеру, в железобетонном судне.

 

Свежеприготовленная бетонная смесь

 

Компоненты и их сочетание

Состав бетона зависит от множества параметров, таких, например, как класс прочности и условия окружающей среды. В нормальном бетоне класса прочности C25/30EU (в России ок. 200-300) один кубометр состоит в массовых долях из порядка 280 кг цемента, 170 л воды и 1950 кг заполнителя, что соответствует пропорции компонентов в смеси как 1:0,6:7.

Следует выбирать консистенцию бетона таким образом, чтобы его можно было без существенного расслоения смеси транспортировать, заливать и уплотнять.

Решающее свойство бетона при этом – его удобоукладываемость.

Консистенцию свежей бетонной смеси необходимо установить до начала строительных работ и придерживаться в ходе их проведения.

Правило: с возрастающей текучестью бетон становится дороже.

При подаче бетонной смеси насосом ее консистенция должна быть, как минимум, пластичной, что означает класс растекаемости F2, лучше F3. Для контроля консистенции существуют нормативные, удовлетворяющие строительным требованиям методы: испытание на уплотняемость и испытание на растекаемость (определение консистенции бетонной смеси по усадке конуса). Последующее добавление воды к готовой бетонной смеси, к примеру, по прибытию на стройку, не разрешается, в том числе из-за опасности расслоения.

 

Таблица консистенции

 

Виды бетона по консистенции / классы по растекаемости	Степень растекания [мм]	Классы по уплотняемости/ степень уплотнения
Очень жесткий	-	CO / 1,46
Жесткий/ F1	340	C1 / 1,45 – 1.26
Пластичный / F2	350 – 410	C2 / 1,25 – 1,11
Мягкий / F3	420 – 480	C3 / 1,11 – 1.04
Очень мягкий / F4	490 – 550	-
Текучий / F5	560 – 620	-
Текучий / F6	630	-

 

Укладка и уплотнение бетона

Бетон должен быть уложен по возможности быстро сразу после замеса или поставки и уплотнен специальными инструментами.

Путем уплотнения необходимо выгнать воздушные включения, называемые «воздушными домиками», для того чтобы образовалась плотная бетонная структура с минимальными порами. Вибрации, центрифугирование, трамбовка, штыковка, торкретирование (набрызг), укатка бетонной смеси разрешены и необходимы в зависимости от консистенции бетонной смеси. Они также являются способами уплотнения.

В качестве прибора для уплотнения на стройках находит применение главным образом глубинный вибратор, называемый также бутылкой.

Дальнейшие средства уплотнения – это наружный вибратор, прикрепляемый к опалубке, и виброплощадка, которые в особенности используются заводами по производству сборных бетонных конструкций.

При укладке и уплотнении бетонной смеси она не должна разделяться на фракции, то есть нельзя допускать отделение крупных частей наполнителя на дне и образование водного и водно-цементного слоя у поверхности.

Этот водянистый слой кашицы появляется в большинстве случаев, если продолжительность вибрации была слишком долгой или бетонная смесь падала больше 1,5.

Отделение воды на поверхности бетона мы называем выпотеванием. Расслоение особенно отрицательно сказывается на прочности и долговечности бетона.

При правильном уплотнении и подходящей консистенции на поверхности формируется слой раствора с мелкозернистым песком.

При закладке бетона его температура должна лежать между +5 °C и +30 °C, в противном случае требуются специальные мероприятия.

 

Дополнительной обработкой обычно пренебрегают

За уложенным бетоном следует ухаживать и правильно проводить дополнительную обработку, чтобы гарантировать выполнение предъявляемых к нему требований!

Дополнительная обработка свежеуложенной бетонной смеси защищает поверхность от высыхания и тем самым обеспечивает закрытую, плотную и долговечную поверхность бетона.

Для этого в близких к поверхности слоях бетона должно быть в наличии достаточно воды для гидратации цемента. Она ни в коем случае не должна испариться под воздействием солнечного излучения, мороза и / или ветра.

Существуют разнообразные методы дополнительной обработки для обеспечения процесса затвердевания!

 

Методы дополнительной обработки летом

Одна из методик включает добавление воды, например, размещением удерживающего влагу покрытия, использованием специальной пленки для последующей обработки бетона, непрерывным обрызгиванием водой или нагнетанием воды. При втором методе быстрое высыхание бетона предотвращается, к примеру, путем выдерживания в опалубке либо изоляции синтетической пленкой.

 

Методы дополнительной обработки зимой

Как пример: при температуре воздуха ниже -3°C свежая бетонная смесь для затвердевания во время первых трех дней (72 часов) должна иметь температуру как минимум +10°C. Этого можно добиться за счет укрытия бетона теплоизоляционной пленкой или установки отапливаемой строительной палатки (шатра).

 

Продолжительность дополнительной обработки

Необходимая продолжительность дообработки бетона может занимать от одного дня до одной и более недели в зависимости от свойств бетона, условий окружающей среды, которые в свою очередь соответствуют классам экспозиции, и от климатических условий вообще.

 

Прочность бетона

Прочность при сжатии является одним из базовых свойств бетона. Соответствующая Германская строительная норма DIN предписывает проведение оценки по прошествии 28 дней при помощи контрольных кубиков бетона с длиной ребра 15 см (экспериментальных кубов) или цилиндров длиной 30 см с диаметром 15 см.

На основе определенной прочности под давлением бетон можно классифицировать на классы прочности. Класс прочности C12/15, к примеру, имеет характерную цилиндрическую прочность на сжатие порядка 12 Н/мм² и характерную кубическую прочность на сжатие порядка 15 Н/мм².

К слову, в номенклатуре буква С стоит для обозначения английского «concrete» (по-немецки «Beton» и по-русски «бетон»).

 

Классы прочности на сжатие

 

 

Отношение напряжения и удлинения бетона для различных классов прочности

 

Модуль упругости

Модуль эластичности бетона в большой степени зависит от используемых присадок и заполнителей и у нормального бетона класса прочности от C12/15 до C50/60 варьирует между 26.000 Н/мм² и 37.000 Н/мм². Упрощенно он может быть рассчитан по уравнению в линейно эластичном напряженном состоянии, то есть максимально 40 % прочности в зависимости от прочности бетона.

Коэффициент поперечного удлинения / расширения

Коэффициент поперечного удлинения колеблется в области рабочих напряжений в зависимости от состава, возраста и влажности бетона между 0,15 и 0,25. Согласно нормам его влияние можно учесть коэффициент 0,2.

 

Модуль поперечной упругости

Модуль поперечной упругости для изотропных строительных материалов может быть приближенно определен с помощью модуля упругости и коэффициента поперечного расширения.

 

Объемные плотности

Объемная плотность бетона зависит от заполнителя. У нормального бетона она составляет от 2000 до 2600 кг/м³. В большинстве случаев она может приниматься равной 2400 кг/м³. Бетон с плотностью выше 2600 кг/м³ называют тяжелым, меньше 2000 кг/м³ - легким. Легкий бетон имеет пористые легкие добавки, такие, как керамзит или пемза. По существующим нормам он разделен на классы по объемной плотности 1,0 - 1,2 - 1,4 - 1,6 - 1,8 - 2,0, которые соответствуют значениям объемной плотности между 1000 и 2000 кг/м³. Железобетон аппроксимативно имеет объемную плотность, увеличенную на 100 кг/м³.

 

Строительно-физические свойства тоже важны

Для бетона коэффициент сопротивления паропроницаемости (диффузии водяного пара) устанавливается между 70 (во влажном состоянии) и 150 (для сухого бетона).

Теплопроводность составляет около 2,1 Вт/(м•К) для нормального бетона, удельная теплоёмкость - 1000 Дж/(кг•K).

Обе величины, тем не менее, сильно зависимы от материала-заполнителя.

Коэффициент теплового расширения равен по нормам для железобетона 10^-5/K. Однако он может варьировать в зависимости от вида добавок, содержания цемента и уровня влажности бетона между 6 и 14•10^-6/K.

Содержание влаги составляет при 23 °C и 50 %-ной относительной влажности воздуха 25 л воды на 1 кубометр бетона и при 80 %-ной относительной влажности воздуха – 40 л/м³.

Все эти свойства бетона, кроме того, зависят от температуры и приближенно действительны только для бетона с температурой значительно ниже 100°C.

 

Некоторые сорта бетона

 

Бетон, приготовленный на стройплощадке, и укладка бетонного раствора ведрами

Бетон со стройплощадки – это бетонная смесь, которая непосредственно на строительной площадке приготавливается в бетономешалке, в отличие от товарной бетонной смеси заводского производства, которая бетоновозами доставляется от стационарной установки.

 

Товарная бетонная смесь

Бетонная смесь, изготовленная централизованно на заводе в стационарных установках, затем перевозится на место проведения строительных работ в бетоновозах. Товарная бетонная смесь сразу пригодна для укладки, поскольку она уже замешена и ее остается только уложить.

 

Местный бетон

Местным (монолитным) бетоном называют бетонную смесь, которая перерабатывается на месте проведения строительных работ и там же, обычно в опалубке, схватывается, в отличие от готовых бетонных изделий, которые устанавливаются прямо в затвердевшем состоянии.

Монолитный бетон поставляется на стройку либо как товарная бетонная смесь, либо изготавливается на строительной площадке. После заполнения опалубки монолитный бетон должен быть уплотнен, то есть включенные воздушные фракции удаляются вибрационной машиной.

 

Торкрет-бетон (шприц-бетон, или пневмобетон)

Торкрет-бетон – это бетонная смесь, которая под давлением воздуха транспортируется по трубопроводу или шлангам к распылительной форсунке, где она наносится в виде плоской поверхности и за счет этого одновременно уплотняется. Используется он чаще всего при строительстве туннелей для фиксации обнаженных рыхлых, несцементированных скальных и горных пород, а также при санировании и усилении бетонной кладки.

Данный способ бетонирования играет большую роль в изготовлении железобетонных конструкций.

 

Подводный бетон

Подводный бетон – это бетонная смесь, предназначенная для закладки под водой. Для того чтобы при бетонировании бетон не расслаивался, необходим особый способ бетонирования, например, такой, как способ вертикально перемещающейся трубы (контракторный способ) с использованием фиксируемых воронок. Бетон должен обладать хорошей связывающей способностью (связностью) и удобоукладываемостью. Для этого содержание цемента в смеси должно составлять как минимум 350 кг/м³. Подводный бетон используется в основном в траншейных стенках и для защиты от подземных вод как изоляционный слой в напольных плитах.

 

Прокатный бетон

Прокатный бетон, или HGT-бетон[1] представляет собой землисто-влажный бетон, который укладывается и первоначально уплотняется дорожной бетоноотделочной машиной пластами толщиной около 20 см. Последующее уплотнение осуществляется при помощи катка на пневматических шинах. Прокатный бетон содержит мало цемента (80 – 150 кг/м³) и применяется, прежде всего, в строительстве дорог или напольных покрытий в промышленных объектах.

 

Центрифугированный бетон

Центрифугированный бетон – это бетон, который уплотняется быстро вращающимися стальными опалубками. За счет этого формируется малое водоцементное соотношение порядка 0,3, и тем самым образуется плотный и очень прочный бетон. Этим способом изготавливаются, в первую очередь, трубы, мачты и сваи.

 

Вакуумированный бетон

Под вакуум-бетоном понимают способ бетонирования, при котором вакуумным насосом и всасывающими сетками создается вакуум. При этом из свежей бетонной смеси вытягивается часть воды, которая не участвует в гидратации. Путем специальной обработки свежеуложенного бетона сокращается, к примеру, образование трещин в результате усадки. При этом поверхность бетона становится более плотной, износостойкой и устойчивой к истиранию. Кроме того, данным способом удается уже на ранних сроках добиться большей прочности, за счет чего возможно более раннее использование поверхности и бетон получается более морозоустойчивым.

 

Бетонное покрытие

Бетонным покрытием называется бетонный слой, который дополнительно наносится на уже имеющийся бетон. При этом необходима соединительная арматура, которая, конечно, должна быть инсталлирована заранее.

 

Монолитный бетонный пол

Для сплошного бетонного напольного покрытия в зданиях применяется особый бетон. Он должен отвечать специальным требованиям, среди всего прочего, это ограничение размеров частиц заполнителя, для того чтобы при хороших характеристиках поверхности можно было получить тонкие слои, толщиной всего несколько сантиметров.

 

Пористый бетон

Пористый бетон, известный как газобетон, представляет собой минеральный материал, который получают путем химического пенообразования растворной смеси.

Щелочная растворная суспензия реагирует с образованием газа с пылью неблагородных металлов, например, алюминия.

Перед затвердеванием в тяжелый, насыщенный пар в автоклаве блоки режутся на стеновые элементы, элементы плотин или плиты и кирпичи. Пористый бетон, в отличие от традиционного бетона, из-за своей малой объемной плотности обладает низкой прочностью и малой теплопроводностью. Собственно говоря, исходя из определения понятия бетона, газобетон является не бетоном; он содержит не заполнитель, а большие заполненные воздухом поры. Строительные детали из газобетона так же, как и аналогичные детали из железобетона, могут включать арматуру, принимающую на себя растягивающее усилие. Наряду с блоками для строительства стен и, как правило, неармированных стеновых элементов производятся также усиленные арматурой элементы балок и потолков, которые на стройках соединяются как сборные изделия.

 

Фибробетон

У фибробетона для повышения предела прочности на растяжение, и тем самым, для лучшего противостояния разрывам и трещинам, в бетон добавляются волокна. Эти волокна посажены в основу (цементный камень). Они работают как своего рода арматура. При повышенных нагрузках на растяжение в бетоне появляются трещины и щели. При использовании бетона с волокнистым заполнителем эти трещины распределяются на многочисленные узкие и, таким образом, безвредные в нормальных условиях трещинки.

Могут использоваться короткие или длинные волокна, уложенные в направлении действия растягивающего усилия. Длинные волокна в большинстве случаев применяются в форме стекловолоконных тканых сеток. Тогда говорят об усиленном (армированном) тканью бетоне, или о текстильном бетоне.

Стекловолокно. Обычное стекло реагирует со щелочами бетона. Поэтому должны быть использованы стойкие к щелочам стекловолокна.

 

Полимерный бетон (PC = Polymer Concrete)

Полимерный бетон содержит, в противоположность обычному бетону, полимеры (синтетические вещества) как связывающее средство, которое скрепляет и удерживает вместе зернистые фракции каменной породы (минеральные добавки). Цемент, если он вообще присутствует, в полимерном бетоне играет роль заполнителя, то есть вводится как дополнение к зернистой структуре камня в области мельчайших частиц и не несет никакого связывающего действия. Полимерный бетон используется главным образом при санировании уже имеющихся строительных конструкций.

Благодаря непродолжительному периоду рабочей жизнеспособности клеящей смеси, также называемому временем затвердевания, при применении полимерных материалов можно избежать продолжительных блокировок дорог и мостов (менее одного дня). Наиболее распространенная полимерная основа для полимерного бетона – это полиэфирная смола (флюсовая смола). Путем смешивания различных фракций достигается высокая степень заполнения свыше 90 % (m/m). Важнейшими направлениями использования являются трубы и желобные системы, которые полностью льются из полимерного бетона.

Полимерный бетон имеет в сфере применения значительно лучшие механические и химические свойства по сравнению с цементным бетоном. Время образования желеобразной массы, или короче: время желатинизации, этих смол может индивидуально регулироваться количеством используемых катализаторов (чаще всего, соли кобальта) и отвердителей (чаще всего, метилэтилкетонпероксид).

 

Бетон с заполнителем из мелкого щебня, дренажный бетон

Бетон с заполнителем из щебня содержит мелкий гравий зернистой структуры, а также цемент и воду. После схватывания образуется связанная система с пустотами, через которую может вытекать вода. За счет этого сокращается опасность заморозков зимой. Бетон с заполнителем из шплита применяется в дорожном строительстве, а также при закладке крайних кирпичей, бордюров и т.д. В мостостроении в настоящее время этот вид бетона часто изготавливается с применением полимерных связывающих растворов, так как в противном случае относительно большая внутренняя поверхность при использовании гидравлических растворов приведет к их вымыванию и к выщелачиванию в местах, откуда стекают капли воды, и в подошве строения.

Бетон с заполнителем из мелкого щебня отнюдь не является исключительно дренажным бетоном, поскольку шплит находит применение также и в изготовлении фильтрационных линий для товарного бетона зерновых фракций 2/8, 8/16 и 16/22.

 

Асфальтобетон

Асфальтобетон – это название смеси из битума и каменной породы зернистой структуры.

 

Минеральный бетон

Это наименование высокоплотной смеси минеральных веществ, в большинстве случаев при использовании большой доли дробленых частиц. Кривая гранулометрического состава строится в соответствии с параболой Фуллера - необходимо установить оптимальное содержание воды для уплотнения.

При укладке следует также избегать расслоения. Минеральный бетон и без цементного раствора становится высокопрочным строительным материалом, который широко используется в дорожном покрытии.

 

Конкрет-бетон

Это название бетона с добавлением каменных высевок, строительного мусора и тому подобных материалов, иногда применяемого ранее. Поэтому он водопроницаемый (пористый) и низкокачественный.

 

Самоуплотняющийся бетон

Самоуплотняющийся бетон (в Германии называемый SV-Beton или SVB, интернациональное обозначение SCC – «self compacting concrete») представляет собой бетон, который только благодаря действию силы тяжести деаэрируется и охватывает арматуру. Это становится возможным из-за его очень текучей консистенции, которая достигается за счет современных высокоэффективных пластификаторов бетона (HBV) на основе поликарбоксилата.

Благодаря соответствующей рецептуре или добавкам можно изготовить бетон, для уплотнения которого не нужна поставляемая извне энергия (бетон не обязательно должен встряхиваться).

 

Высокопрочный бетон

За счет добавления высокоэффективных разжижителей и в высшей степени мелкодисперсных добавок (пыль двуокиси кремния) становится возможным производить бетон высокой прочности.

 

Сверхвысокопрочный бетон

Сверхвысокопрочный бетон (UHFB), обозначаемый во всем мире как «Ultra High Performance Concrete (UHPC)», представляет собой пик достижений исследовательской работы на базе высокопрочного бетона. По причине преимущественно малого диаметра самых крупных зерновых фракций и высокой реакционной способности прочных компонентов этой бетонной смеси, технологические особенности этого бетона точно отражают названия, параллельно возникшие в ходе ранее проведенных в 80-ые гг. в Дании и Франции исследований: «бетон из реактивного порошка» и «Béton de Poudres Réactives» («BPR») или «Reactive Powder Concrete» («RPC»). Этот бетон достигает прочности при сжатии свыше 200 МПа, а в соединении с волокнами – прочности при растяжении 15 МПа и прочности на растяжение при изгибе до 45 МПа. В Германии много мостов было построено с применением сверхвысокопрочного бетона UHFB.

 

Просвечивающийся бетон

Благодаря встроенным оптическим волокнам венгру Арону Лосоньши (Aron Losonczi) удалось изготовить пропускающие свет бетонные конструкции. Осветительный бетон изв