История бетона насчитывает много лет, данный материал использовали для проведения ремонтно-строительных работ еще в древнем Египте, Индии, Риме. И построенные тысячелетия тому здания стоят до сих пор, пусть и некоторые из них частично разрушенные. Прочность и надежность, долговечность бетона делают его незаменимым материалом для разного вида работ и сегодня.
Бетон представляет собой вид строительного материала искусственного происхождения, который получают путем смешивания в определенных пропорциях разных компонентов.
Основу бетона составляют цемент в качестве вяжущего, песок и щебень/гравий, выступающие в роли наполнителей, а также вода, которая нужна для затворения смеси и запуска реакции гидратации. Также в состав бетона могут вводиться различные добавки, улучшающие или меняющие определенные свойства материала.
Цемент получают путем тонкого помола гипса и клинкера. Клинкер является продуктом равномерного обжига при высокой температуре до состояния спекания сырьевой однородной массы, которая состоит из глины (с преобладанием силикатов кальция), известняка. Сам цемент, как и произведенный на его основе бетон, может соответствовать разным маркам по прочности, способности выдерживать нагрузки, воздействие температур и т.д.
По сфере применения бетон бывает простым и специальным, который предполагает усиление определенных качеств (морозостойкость, жаростойкость, теплоизоляция). В некоторых случаях в качестве вяжущего используют не цемент, а другие составляющие (так бетоны делят на гипсовые, керамзитовые, силикатные и т.д.). Разными могут быть и наполнитель (на базе щебня, гравия и т.д.), структура материала, его плотность, особенности твердения и т.д.
Содержание
Происхождение бетона
Дать однозначный ответ на вопрос о том, когда появился бетон, трудно. Как и другие строительные материалы, путь развития бетонная смесь прошла достаточно долгий. Так, во время раскопок на берегу Дуная участники археологической экспедиции нашли остатки жилья 5000-летней давности с полами толщиной 25 сантиметров из доисторического бетона: вяжущим в растворе выступала красная глина, а вот армировал конструкцию мелкий речной песок.
Отдельные примеры эффективного связывания мелких/крупных камней различными растворами известны еще со времен египтян, финикийцев, вавилонян, карфагенян. Самое раннее использование бетона датировано 1950 г. до н.э. – именно к этому времени относится материал, найденный в гробнице Тебесе (Теве) в Египте. Задолго до нашей эры бетон применялся в строительстве монолитного свода пирамиды Нима, галерей египетского лабиринта (3600 л. до н.э.).
Ученый искал дальше и нашел на стене надпись периода III династии. Когда иероглифы расшифровали, отыскали рецепт приготовления древнего варианта бетона и именно к этому периоду можно отнести происхождение бетона. В процессе независимых исследований оказалось, что основание Великих пирамид сделано из природных известняков, а вот верхние ряды созданы из бетона, сделанного на базе крошки песчаника, пальмовой золы, соды из нильской воды.
Очень много написано о зданиях периода Римской империи, возведенных с применением «бетона» в качестве главного конструкционного материала. Исследователи считают, что впервые начали применять настоящие цементные связующие (не известь, как в случае с древними сооружениям) в южной Италии во II ст. до н.э.
Многие приписывают римлянам само изобретение цемента, так как даже некоторые названия заимствованы отсюда. Так, особый вид вулканического пепла под названием «пуццолан» использовали впервые недалеко от города Поццуоли в заливе Неаполя, его же широко применяли в цементе. От города пошло название самого вида вяжущего, которое сегодня называют пуццолановым цементом.
В строительстве порта Aemelia (крупного сооружения, датированного 193 г. до н.э.) использовали пуццолан с целью эффективного связывания камней вместе для получения бетона. Это пепел необычного типа, который запускает химическую реакцию с водой и известью, а потом укрепляется в твердую массу (по свойствам схожую со скалой), которая не боится даже погружения в воду. Этот цемент римляне применяли для строительства доков, мостов, водопроводов, ливневых стоков, зданий.
Римский бетон
Римский бетон укладывали слоями в формате смеси, с которой работали вручную. Обычно бетоном заливали камни разного размера, обкладывая его глиняными камнями по обеим сторонам (если это нижняя часть здания). Стены же создавали из бетона и камней, которые выступали в качестве формы для раствора. Эти кирпичи имели не столько конструктивное значение, сколько применялись с целью облегчения процесса строительства, а также в виде элементов декора.
Множество общественных зданий, в том числе модные резиденции в Риме и всем известный Пантеон, были выполнены из бетонных кирпичей, используемых в возведении сводов и стен. Купол Пантеона, который был возведен во II ст. н.э., до сих пор считается одним из самых ярких строительных шедевров всех времен.
Невероятно сложная конструкция с большим числом уменьшающих массу пустот и ниш, а также небольшими сводчатыми потолками. У строителей Пантеона было достаточно знаний, чтобы применять тяжелые элементы на уровне земли, уменьшать плотность конструкции в стенах выше, а в самом куполе понизить нагрузку до значения, которое позволяет стоять Пантеону и сегодня без разрушений.
Большой пролет Пантеона величиной в 142 фута затмил своим великолепием небольшие предыдущие пролеты, создав яркий и необычный эффект, который можно считать настоящей архитектурной революцией тех времен, особенно с точки зрения восприятия всего внутреннего пространства.
Скорее всего, из-за недоступности и отсутствия пуццолана в мире данный вид бетона не применяли в других местах и основным строительным материалом была камне-кирпичная кладка. Большинство значительных зданий в мире в течение многих веков строили именно с применением данного метода.
В 18 ст. во Франции использовали еще один тип бетона: тут стены из покрытого штукатуркой щебня делали в виде каменной кладки, которая в те времена считалась модной. Так, каменщик из Лиона Франсуа Куантеро находился в поисках экономного метода создания несгораемых стен с применением цементного раствора, сочетаемого с давней глинобитной техникой либо «спрессованной землей».
Техника глинобитная предполагает применение древесной опалубки, которую заполняли смесью глины с землей либо соломой с последующей трамбовкой. Но потом процесс трамбовки стал неактуальным из-за применения сильных и новых цементов. В 1824 году британский каменщик Джозеф Аспдин запатентовал улучшенный цемент, которому дал название Портлендского ввиду схожести с природным камнем, добываемым на соседнем острове Портленд.
Принято считать, что именно Аспдин первым использовал высокие температуры с целью нагрева глинозема, а также кварцевых материалов до точки стеклования, что приводило к сплавлению материалов. Таким же способом цемент делают и сегодня. В 19 ст. бетон применяли в Европе для строительства зданий, чаще всего промышленных, так как этот материал был прочным, недорогим, позволяющим ускорить процесс возведения.
Использование армирования
Касательно ответа на вопрос о том, кто изобрел бетон и сам принцип армирования, существует множество разногласий. Большинство исследователей сходятся на том, что первым успешным примером упрочнения бетонного монолита была работа крупного землевладельца с юга Франции господина Ламбо.
В начале 1850-х лет во время строительства нескольких гребных лодок Жан-Луи Ламбо укрепил их проволочной сеткой и железными прутьями. Он увидел, что изобретение дало результат и захотел использовать материал в разных сферах строительства. С этой целью Жан-Луи подал заявку в 1856 году на получение патента в Бельгии и Франции, описав бетон.
Описание звучало так: это улучшенный строительный материал, который можно применять вместо древесины в архитектурных и военно-морских сооружениях, а также для реализации различных бытовых целей, где очень важно избегать сырости.
Уже в 1856 году штукатур Уильям Б. Уильямсон построил небольшой коттедж на два этажа, укрепив бетонный пол и кровлю железными прутьями и проволочным тросом. Он получил британский патент на армированный бетон и успел придумать, построить несколько подобных конструкций, выступив в роли прародителя первых зданий из железобетона.
В 1867 году французский садовник Джозеф Монье получил патент на упрочнение садовых ванн, потом он смог оформить патент на усиленные балки, сваи, которые применяются для выполнения ограждения для железных и автомобильных дорог.
Армирование пола
Впервые широко применять портландцемент в строительстве зданий начали под началом французского строителя по имени Франсуа Куанье. Он взялся за строительство нескольких больших бетонных домов во Франции и Великобритании на протяжении 1850-1880 годов. В этих домах впервые применяли железные стержни при заливке пола для исключения риска разъезжания стен. Позже Франсуа использовал арматуру в качестве изгибаемых элементов различных конструкций.
Первым этапом применения железобетона в строительстве стало возведение конструкции американским инженером-механиком по имени Уильям Э. Уорд. Было это в 1871-1875 годах. Построенный тогда дом стоит до сих пор, его можно найти в Порт-Честере (что в штате Нью-Йорк). Здание стало известным благодаря усердию и внимательности, с которыми господин Уорд вел все свои дела, аккуратно исследуя и тщательно документируя каждый шаг.
Уильям хотел возвести надежный и безопасный дом, так как его супруга сильно боялась огня. Выполнение проектирования и дизайна было поручено архитектору Роберту Муку, который взялся за работу в 1870 году. Это здание должно было по внешнему виду напоминать каменную кладку, стать социально приемлемым решением многих задач.
Все технические и строительные вопросы Уорд решал самостоятельно, тратя немало времени на проведение нагрузочных испытаний, различных экспериментов. Для обозначения строительной смеси использовалось слово французского происхождения beton. В 1883 году Уорд выступил перед Американским обществом инженеров-механиков с докладом, который рассказывал о комбинировании бетона с железными прутьями.
В 1879 году немецкий строитель Г.А. Вайс купил права по патенту на систему Монье, начав применять железобетонные конструкции в Австрии и Германии, где они рекламировались под названием «система Вайс-Монье». Многие здания были впоследствии построены также и во Франции.
Монолитная рамная конструкция
В конце 19 века технология создания каркасных железобетонных конструкций развивалась параллельно. В Германии и Австрии работал Г.А. Вайс, в США Эрнест Л. Рэнсом, во Франции Франсуа Эннибек. В конце 1870-х годов Л. Рэнсом стал управляющим успешной компании, занимающейся производством бетонных блоков из камня искусственного происхождения в Сан-Франциско.
Именно тут впервые использовали армирование в 1877 году и в 1884 году система была запатентована. Данная система предполагала наличие в конструкции витых квадратных прутов, которые призваны были увеличивать сцепление между арматурой и бетоном. Самая крупная работа тех времен – Леланд Стэнфорд (расположенный в Стенфордском университете музей) – это первое здание, в котором применяли технологию непокрытого снаружи бетонного наполнителя.
Тем временем каменщик Франсуа Эннибек по другую сторону Атлантики проявил себя в качестве успешного подрядчика в Париже, где получил патенты в Бельгии и Франции на систему строительства Эннибека и начал создавать свои представительства в большинстве крупных городов. Франсуа развивал новый способ посредством проведения конференций, создания стандартов в пределах своей сети компаний. Большая часть его зданий относилась к числу промышленных.
Когда компания Эннибека переживала подъем, он создавал в год около полутра тысячи контрактов и таким образом способствовал быстрому росту количества железобетонных конструкций по всей Европе.
Бетонные купола и своды
Благодаря появлению железобетона стало возможным строить здания нового типа – с тонкими стенами. И в 1930 году блестящий испанский инженер Эдуардо Торроха создал невысокий купол толщиной в 3.5 и шириной в 150 футов для рынка в Альхесирасе. Для растяжки он применял стальные тросы. Кроме того, Торроха выступил автором элегантной консольной крыши стадиона, расположенного в Мадридском ипподроме, что была создана в 1935 году.
Настоящим мастером панельных конструкций стал математик, архитектор и инженер Феликс Кандела. По большей мере практиковал он в Мехико: создал лабораторию космических излучений для университета Мехико, с 5/8-дюймовой по толщине крышей. Параболоидная форма свода стала настоящим товарным знаком архитектора, в свое время он сумел воспользоваться дешевой рабочей силой, поэтому создал немало церквей и заводов вокруг Мехико с той же формой конструкции.
Дальнейшее использование бетона в современной архитектуре
Одним из прославившихся архитекторов, работающих с бетоном, стал Ле Корбюзье. Он сильно расходился во мнениях с работодателями, отказываясь применять классическую дизайнерскую базу в проектировании. Позже, став почитаемым архитектором, Ле Корбюзье полностью перешел на железобетон.
Самые знаменитые работы архитектора: построенная из панелей плоской конструкции Вилла Савой (1931 год), многоквартирные дома на Пилотэс в Марселе и Нанте (конец 1940-х), возведенная со стенами из залитой бетоном каменной кладки Часовня Рончамп (1957 год), монастырь Ла-Туретта (1959 год), правительственный комплекс на Чандигарх (Индия, 1961 год).
Ле Корбюзье активно увлекался игрой естественного света, использовав его в качестве элемента дизайна, в чем ему помогал бетон со всем разнообразием его текстуры и оттенка.
В 1919 году Мис ван дер Роэ представил идею конструктивной основы в зданиях большой высоты, выполненной с консольной плитой перекрытия. Райт реализовал идею в жизнь в Башнях Джонсона (штат Висконсин). Комплекс был признан лучшим творением Райта, где были воплощены все его идеи.
Высокопрочный бетон и высотные здания
Развитие строительства высотных зданий из бетона происходило медленно, но верно, с момента возведения в 1904 году здания Ингаллс. Гигантские и средние высотки 1930-х годов все сплошь были созданы из железобетонных конструкций. Сначала была башня Johnson Wax Tower, потом построили башни-близнецы в Чикаго комплекса Marina City.
Упрочненный бетон стал ключом к наращиванию высоты зданий наряду с сохранением разумной величины колонн на нижних этажах. Так, небоскреб Shell Plaza, что был возведен в 1970 году в Хьюстоне, по высоте достиг 714 футов. Наибольшую концентрацию высоток из упрочненного бетона породил Чикаго с его большими запасами высококачественной летучей золы (которая также способствует повышению прочности цементной смеси).
Построенная в Торонто в 1989 году высотка достигла высоты в 907 футов, а в 1990 году две чикагские башни достигли 900 футов, что стало неслыханным для архитектуры тех лет. С того времени железобетон активно используют в строительстве малых и больших зданий, материал актуален в Москве и затерянных поселках, в ремонте и массе других видов работ.
