Бетоноведение. В двух томах. Том 1. Цементный бетон


Л. И. Дворкин








                БЕТОНОВЕДЕНИЕ




Монография В двух томах

        ТОМ 1
        ЦЕМЕНТНЫЙ БЕТОН









Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 691.53
ББК 38.3
    Д24

Р е ц е и з е и т ы :
доктор технических наук, профессор А. В. Ушеров-Маршак (Харьковский национальный университет строительства и архитектуры);
кандидат технических наук В. А. Дорф (АО «Оргэнергострой», г. Москва)




    Дворкии, Л. И.
Д24    Бетоноведение : монография. В двух томах. Том 1. Це    ментный бетон / Л. И. Дворкин. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2021. - 692 с. : ил., табл.
       ISBN 978-5-9729-0618-5
       ISBN 978-5-9729-0617-8 (Т. 1)

      Освещены основные разделы научного бетоноведения. Рассматриваются современные представления о составе и структуре цементного бетона, технологических методах управления ими. Освещаются свойства цементного бетона, факторы, влияющие на прочностные, деформа-тивные и другие свойства, определяющие эксплуатационную надежность и долговечность бетона. Приведены основные расчетные зависимости для прогнозирования свойств и проектирования составов бетона с заданными свойствами. Кратко освещены особенности технологии, свойства, методики проектирования составов разновидностей бетонов с учетом особенностей их исходных материалов, свойств и области применения. Анализируются пути управления структурой, составами и свойствами бетонов различного назначения.
      Для широкого круга специалистов-строителей и технологов, а также студентов строительных специальностей высших учебных заведений.
УДК 691.53
                                                    ББК 38.3



ISBN 978-5-9729-0618-5     © Дворкин Л. И., 2021
ISBN 978-5-9729-0617-8 (Т. 1) © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ПРЕДИСЛОВИЕ


      Бетон - один из основных строительных материалов, широко применяемый в современном строительстве. Благодаря возможности регулирования свойств в широком диапазоне, мощной сырьевой базе, доступной технологии, приемлемом уровне экологичности бетон сохраняет свои позиции в строительстве на обозримую перспективу.
      Наука о бетоне - бетоноведение развивает теоретическую базу, на которой основываются эффективные технологические решения, совершенствуются свойства известных разновидностей бетона и разрабатываются новые его виды. Современное бетоноведение позволяет разрабатывать методологию прогнозирования и управления свойствами бетона, проектирования оптимальных составов и технологических параметров его производства.
      В предлагаемой монографии приводится обзор основных положений и закономерностей бетоноведения, направленных на формирование и обеспечение его свойств с учетом влияния структуры и состава, технологических факторов и эксплуатационных параметров.
      Современное бетоноведение - результат исследовательской и аналитической работы большого коллектива ученых различных стран, опыта, накопленного в процессе производства и эксплуатации бетонов и растворов, материалов и конструкций на его основе.
      Автор понимает, что в предлагаемой монографии не все изложенные вопросы удалось проанализировать с достаточной глубиной и осветить в полной мере. Автор надеется на отзывы читателей, которые будут способствовать улучшению содержания книги в последующих изданиях.
      Значительный вклад в книгу сделан доктором технических наук, профессором О. Л. Дворкиным .
      Автор признателен коллегам, с которыми много лет работал над актуальными проблемами бетоноведения в Национальном университете водного хозяйства и природопользования (Украина). Автор также благодарен рецензентам проф.

3

А. В. Ушерову-Маршаку (Харьковский национальный университет строительства и архитектуры) и к. т. н. В. А. Дорфу (АО «Институт «Оргэнергострой»), замечания которых учтены при работе над книгой, а также инженерам Л. И. Нихаевой, Л. А. Мацько и А. В. Киц за техническую помощь при подготовке книги к изданию.

4

ВВЕДЕНИЕ


Краткий обзор развития технологии бетона и бетоноведения

     Термин «бетон», широко используемый в ряде европейских стран, появился в XVIII веке во Франции и по-видимому, произошел от названия органических вяжущих - «bitymen» (т. е. смола), которые использовались для получения композиционных материалов. В англоязычных странах для материалов на основе смеси вяжущих и заполнителей используют термин «concrete», произошедший от римского «concretus» - композиции тесно переплетенных между собой материалов.
     Римляне материал подобный бетону называли по-разному. Так, литую кладку с каменным материалом они именовали греческим словом «эмплектон» (emplekton). Встречается также слово «рудус» (rudus). Однако чаще всего при обозначении растворов, используемых при возведении стен, сводов, фундаментов и других конструкций римляне использовали словосочетание «опус цементум» (opus caementitum), которым и стали называть римский бетон.
     Зарождение бетона уходит далеко вглубь веков. Наиболее ранний бетон, обнаруженный археологами, можно отнести к 5600 г. до н. э. Он был найден на берегу Дуная в поселке Лапински Вир (б. Югославия) в одной из хижин древнего поселения каменного века, где из него был сделан пол толщиной 25 см. Материал для этого пола изготовлен на гравии и местной извести.
     Древнейшими вяжущими веществами, используемыми человеком, являлись глина, ил, жирная земля, которые после смешивания с водой и высыхания приобретали некоторую прочность. Примерами использования таких материалов являются кирпичные стены древних египетских сооружений. Кирпичи изготавливались из нильского ила с добавкой рубленой соломы. Ил использовался также и для растворов при возведении стен.
     Из искусственных минеральных вяжущих материалов еще за много столетий до новой эры в Египте, Индии и Китае начали

5

изготавливать термической обработкой исходного сырья сначала гипс, а затем известь.
     Для получения типичных египетских растворов, использованных при получении пирамид, применяли обожженный гипс. Известь в Европе начали изготавливать на Крите и в Греции.
     Применение бетона в строительстве можно разделить условно на несколько этапов:
     1. Античный.
     2. Применение гидравлической извести и романцемента.
     3.       Становление технологии портландцемента и применение неармированного бетона.
     4.       Массовое применение бетона для изготовления железобетонных конструкций.
     5.       Применение бетона для изготовления преднапряжен-ных и сборных железобетонных конструкций.
     6.       Широкое использование бетона различных видов, модифицированных добавками.

1. Античный бетон

     Античный период развития технологии и применения бетона связан в основном с римлянами (300...476 г. н. э.). С этим периодом связан ряд крупных технических достижений, поднявших строительное искусство того времени на достаточно высокий уровень. Здесь следует отметить, прежде всего, открытие римлянами пуццолановых добавок и технологии водостойких растворов и значительное улучшение их качества за счет использования чистых и фракционированных заполнителей взамен ранее применявшегося грунта, применение ряда органических добавок и тщательное уплотнение смесей вяжущих и заполнителей.
     Римляне заимствовали технологию получения извести у греков. Растворы получали гашением извести и смешиванием ее с песком. Римские растворы и бетоны, имевшие высокое качество, получили широкое распространение в античном обществе. В Римской империи появились первые, дошедшие до нашего

6

времени работы, которые положили начало науке о вяжущих материалах и бетоне.
     Прошло более 2000 лет с тех пор, как появился римский бетон, а отдельные здания и сооружения, где он использован, стоят и поныне. При этом некоторые из них находятся в морской воде, другие, как, например, Пантеон в Риме (рис. 1), пережили ряд крупных землетрясений. Высокую долговечность имели римские гидротехнические сооружения, бетонные дороги, многослойные полы, своды и купола. Во времена Римской империи появились первые книги и трактаты по строительному искусству, включающие ряд важных технологических сведений (Плиний, Витрувий и др.).


Рис. 1. Пантеон в Риме. Бетонное купольное сооружение высотой 43 м (115-125 гг.)

     Интересно, что термин «цемент» римляне вначале применяли для обозначения таких материалов, которые сейчас носят название искусственных пуццолан. В дальнейшем этот термин служил для определения растворов. Так, в таком авторитетном

7

средневековом труде, как книга Бартоломея Англикуса «О свойствах вещей» говорится: «Известь.это обожженный камень; при смешивании ее с песком и водой получается цемент». Однако термин «раствор» также применялся примерно с конца XIII века.
      Более двух тысяч лет назад (в 160 г. до н. э.) римский консул Марк Порций Катон Старший внес в свою книгу, посвященную строительному искусству, такой совет обжигальщику извести: «Камень в печь клади добрый, наибелейший, без всякой пестрины». Римский архитектор и инженер Марк Витрувий Поллион, живший в первом веке до нашей эры, писал в своих знаменитых «Десяти книгах об архитектуре»: «Встречается некоторый род порошка, который обладает чудесными свойствами. Его залежи находятся в окрестностях Байи на общественных полях близ Везувия. Если этот порошок смешать с известью и щебнем, то не только в обычных сооружениях получится большая прочность, но и сложенные на таком растворе морские дамбы приобретут настолько большую прочность, что вода их не разрушит». Изучение древнеримских трактатов спустя многие столетия, когда уже была создана соответствующая научная база, способствовало развитию некоторых фундаментальных идей строительного материаловедения, например, идеи пуццоланизации цементов, растворов и бетонов с целью увеличения их водо- и коррозионной стойкости, введения органических добавок в растворы и бетоны для увеличения их пластичности и долговечности и др.
      Известно, что средневековье характеризовалось определенным снижением уровня строительных технологий, качества применяемых материалов.
      Вместе с тем, начиная с XII века, качество извести постепенно улучшается, и в XIV веке вновь появляются высококачественные известковые растворы.
      В России известковые растворы широко применяли при возведении городских стен, башен, церквей и т. п. В X веке известковый раствор был применен при сооружении Десятинной церкви в Киеве, в XI веке Софийский собор и Золотые Ворота (рис. 2). В XII веке при строительстве церкви в с. Кидекше


8

близ Суздаля была применена известь с добавкой цемянки, т. е. толченого кирпича, что повышало прочность и водостойкость растворов. Стены московского Кремля были сложены в 1485.. .1495 гг. также на известковом растворе.


Рис. 2. Софийский собор (г. Киев)

2. У истоков цементного бетона

     С общим подьемом строительства во второй половине XVIII века связано и начало интенсивных исследований по получению новых эффективных строительных материалов, систематизации имеющегося эмпирического опыта по получению и применению традиционных материалов. В этот период были изобретены и начали применяться для получения водостойких растворов и бетонов гидравлическая известь и романцемент, а несколько позже - в начале XIX века - портландцемент.


9

     Гидравлическая известь изобретена Джоном Смитоном (1793 г.) в связи с решением строительства маяка на Эддистон-ской скале, которое было принято еще в 1756 г. В результате обширных экспериментальных исследований Смитоном была установлена возможность получения извести, медленно твердеющей в воде, из известняков с повышенным содержанием глинистых примесей. Для строительства маяка Смитон выбрал раствор на основе гидравлической извести и добавки пуццоланы. Результаты своих исследований Смитон осветил в написанной им книге. Однако гидравлическая известь еще долгое время не находила широкого применения, и строители для водостойких растворов предпочитали смесь извести воздушного твердения и пуццоланы.
     Развивая исследования Д. Смитона, Джеймс Паркер в 1796 г. запатентовал романцемент (название этого цемента дано из рекламных соображений и не отвечает сути «римского цемента»), способный быстро схватываться, твердеть без предварительного гашения и развивать повышенную прочность. Цемент Д. Паркера широко применялся в строительстве до середины XIX века, когда он начал вытесняться портландцементом.
     В России также во второй половине XVIII века разрабатываются и осваиваются способы изготовления вяжущих веществ из мергелей (природных смесей известняков и глин) и искусственных смесей по составу подобных мергелям.
     В 1807 г. акад. В. М. Севергин дает полное описание свойств вяжущего вещества, получаемое обжигом мергеля с последующим размолом полученного продукта, который был типичным романцементом. В 1818 г. французский ученый Луи Жозеф Вика опубликовал работу «Экспериментальные исследования строительных известей, бетонов и обычных растворов». В ней предложена классификация гидравлических известей в зависимости от массового соотношения кремнезема и глинозема к оксиду кальция. Эта классификация применяется до настоящего времени. Профессор Петербургского института корпуса инженеров путей сообщения французский ученый Антуан де Шарлевиль опубликовал в 1822 г. «Трактат об искус

10