История развития бетонна и железобетонна

 

В современном мире бетон является одним из самых популярных и востребованных строительных материалов и используется в самых разнообразных отраслях строительства.

 Первые следы применения бетона в строительстве обнаружены в Древнем Риме более 2000 лет назад. Древние римляне использовали бетонные смеси, состоявшие из гипса, извести и глины, для постройки таких сооружений как арки, купола, водоводы.

Римский бетон мало похож на современный бетон из портландцемента. Он никогда не был в пластическом состоянии, которое можно заливать в формы или строительные опалубки.

Римский бетон укладывался слоями в виде раствора вручную между камнями различных размеров. Этот раствор обкладывали глиняными камнями с обеих сторон, если это была нижняя часть строения, а для создания стен камни служили формой для "бетона". Известно, что эти кирпичи имели не конструктивное значение, а использовались для облегчения строительства и, как элементы декора.

Однако после падения Римской Империи бетон довольно долго не применялся в строительстве.

Вновь следы использования бетона обнаружились всего двести лет назад на территории Европы. Здесь бетон являл собой каменистую смесь, в состав которой входили вода, заполнитель и вяжущий компонент.

В девятнадцатом веке бетон был использован в Европе для зданий, в основном промышленного характера, так как этот "новый" материал не имел социальной преемственности как камень или кирпич.

В 19 веке появляется новый строительный материал – железобетон, в котором, как известно, стальная арматура и бетон соединены в монолитное целое. Бетон частично защищает металл арматуры от коррозии и воспринимает сжимающие напряжения, а арматура - растягивающие усилия. Среди всех известных традиционных строительных материалов он является одним из самых молодых. По истории изобретения железобетона до сих пор нет единого мнения.

По влиянию на развитие мировой цивилизации изобретение железобетона смело можно поставить в один ряд с открытием электричества, появлением автомобиля или авиации.

Практически в одно и то же время идея армирования бетонных конструкций металлом пришла в голову нескольким людям. Это французы: адвокат по профессии Жан Луи Ламбо, инженер Франсуа Куанье, парижский садовник Жозеф Монье и английский штукатур из Ньюкасла Вильям Уилкинсон.

На роль родины железобетона претендовали Англия и США, но большинство научных открытий в данной сфере было получено во Франции. В 1849году Жозеф Монье, французский садовник, изготовил кадку для садовых растений, обмазав каркас цементным раствором. В 1867 году Моньеполучил патент на свое изобретение. Именно сочетание таких двух материалов стало называться железобетоном.

Внедрение нового материала не обходилось без трудностей. Поначалу нередким было разрушение конструкций из-за нарушения технологии производства железобетонных изделий и их неудачного размещения.

В 1886году благодаря немецкому инженеру Карлу Вайсу, который в 1878 году купил патент у Жозефа Монье, были досконально изучены и описаны свойства железобетона и выработаны первые нормы его применения. Только после этого он начал широко использоваться в строительстве.

Если же подходить строже к истории, то оказывается, что еще в 1848 году французский адвокат по профессии Жан Луи Ламбо первым соединил цементный раствор и арматурную сетку - соорудил лодку из железобетона. Показанная в 1855году на Парижской выставке лодка Ламбопроизвела настоящую сенсацию. Он запатентовал судно из железобетона. Всего было построено три лодки по его проекту. Одно такое плавсредство функционировало практически полвека, а два других были подняты со дна озера на юге Франции к столетию указанной выставки. С этого момента фактически история железобетона начала свой отсчет. Интересно отметить, что в 1859году в российском «Инженерном журнале» появилась заметка «О постройках из цемента и железа», в которой рассказывалось о лодке Ламбо.

На той же Парижской выставке отличился и другой француз - Франсуа Куанье, запатентовавший бетон, предназначенный для строительства зданий. Этот материал замешивался с небольшим количеством воды в смесителе, который работал на конской тяге, и втрамбовывался в многократно используемые формы. В 1855 году Куанье получил патент и на метод армирования, предложив перекрестное размещение арматуры.

В начале 1850-х годов целые кварталы Парижа застраивались в невероятно короткий срок благодаря использованию известкового бетона Куанье. В 1861 году он издал брошюру "Применение железобетона в строительном искусстве", где впервые указал на то, что бетон и стальные стержни в нем работают совместно. Около 20 лет Куанье строил железобетонные сооружения во Франции и других странах. Во время экономического кризиса 1881года Франсуа Куанье обанкротился.

Так же во второй половине 19 века начал внедрять железобетон в Северной Англии штукатур Вильям Уилкинсон, получивший в 1854 году патент на конструкцию огнестойкого перекрытия из железобетона, состоящего из металлического "скелета", залитого бетоном.

Десять лет спустя он построил в Ньюкасле небольшой домик, где из железобетона были сделаны не только стены и перекрытия, но также лестницы, ступени даже дымовая труба - так на практике было доказано одно из тех качеств нового материала, которые и сделали его универсальным - способность принимать практически любую форму. Вполне вероятно, что Уилкинсон был первым, кто понял принцип рационального армирования железобетона. Идеи его, как ни странно, в самой Англии особого внимания в это время не привлекли, но в элементах конструкции, работающих на сжатие, применение бетона продолжало расширяться. Но по какой-то причине изобретение Уилкинсона и Куанье, не получили широкого применения.

Так как всеми этими выдающимися изобретателями был внесен огромный вклад в появление и развитие железобетона,то первыми изобретателями железобетона можно считать всех четверых: и Ламбо, и Куанье, и Уилкинсона, и Монье.

Главным в их творчестве является то, что они приблизили эру железобетона, которая ведет свой отсчет с начала интенсивного роста промышленности, начавшегося более ста лет назад. Сначала использовались простые стальные конструкции и обыкновенный бетон, потом - напряженная арматура.

В России в 1891 г. талантливейший русский строитель проф. Н. А. Белелюбский первым провел серию испытаний железобетонных конструкций: плит, балок, арок, резервуаров, силосов для зерна, моста пролётом 17 м, которые по методике испытаний и полученным результатам во многом превосходили работы зарубежных ученых и послужили базой для широкого распространения железобетона в строительстве.

Железобетон стал применяться в перекрытиях производственных зданий, подземных трубах, колодцах, стенах, резервуарах, мостах, путепроводах, эстакадах, фортификационных и других сооружениях.

В 1904 г. в г. Николаеве по проекту инженеров Н. Пятницкого и А. Барышникова был построен первый в мире морской маяк из монолитного железобетона высотой 36 м, со стенами толщиной 10 см вверху и до 20 см внизу. В 1905 году в Петербурге было построено первое 4-этажное промышленное здание с железобетонным каркасом.

В начале XX века французский инженер Эжен Леон Фрейсине применяет совершенно новую для того времени технологию строительства.

В 1917 году, применяя железобетон, он попытался увеличить несущие способности бетона путем его уплотнения механической вибрацией. Попытка оказалась удачной. Так и появилась, применяемая сейчас повсюду, технология возведения монолитных конструкций.

Но самым большим достижением Фрейсине следует считать изобретение предварительно напряженного бетона.

В 1928 г. он предложил и осуществил изготовление сборных струно-бетонных преднапряженных элементов. Замысел и идея этого материала необыкновенно просты. Натянутые еще до укладки бетона стальные струны в готовом элементе возвращаются к своей первоначальной длине и вызывают в бетоне значительные сжимающие напряжения. Находясь в конструкции под соответствующей нагрузкой, такой элемент работает в некоторых местах на сжатие, а в других - на растяжение. Способ, предложенный Фрейсине, значительно увеличил несущую способность элементов.

В России после революции железобетонное строительство получило невиданный в мире размах. Необходимость максимально экономить материал и снижать стоимость железобетонных конструкций вынуждала советскую ученых учитывать все наиболее передовое в европейской и американской практике и широко развивать собственные теоретические и экспериментальные исследования в области железобетона. В 1925-1932 гг. этими вопросами занимались советские ученые В. М. Келдыш, А. Ф. Лолейт, А. А. Гвоздев. П. Л. Пастернак.

В 1928 г. разработаны первые сборные конструкции, а с 1929 г. применяются в строи­тельстве тонкостенные пространственные конструкции (купола, складки, оболочки, шатры и т. д.). С 1930 г. начинается примене­ние предварительно напряженных элементов. В настоящее время примерно 25% сборных элементов изготовляются с напрягаемой арматурой.

В 50-х гг. была создана промыш­ленность сборного железобетона, что послужило основой полнос­борного каркасно-панельного и крупнопанельного строительства.

В 60-х гт. начинается массовое применение железобетона в стро­ительстве промышленных и подземных труб, водонапорных башен, силосов и других сооружений, а также при изготовлении крупных сборных конструкций (ферм, колонн и др.). Годовая мощность за­водов сборного железобетона достигает 200 тыс. м³.

К 1990 в Советском Союзе промышленность сборного железобетона включала около 6000 предприятий, которые производили до 30 % всех ресурсов для строительства.

Ныне в России по данным НИИЖБа  ежегодное производство монолитного бетона и железобетона составляет примерно 28 млн. куб. м, что очень мало. В Японии, например, производится почти 1,2 куб. м бетона на человека, в США - 0,7 куб. м, в Германии - 0,8, Италии -1,1, в Израиле - 2, а в России всего - 0,2.

На современном строительном рынке бетон представлен множеством разнообразных видов, различным по своим составам и техническим характеристикам. Например, существует бетон обычный, легкий, тяжелый, особо легкий, жесткий, подвижный, силикатный, гипсовый, полимербетон, железобетон, асфальтобетон и множество других видов, соответствующих различным целям и назначениям.

На современных предприятиях производства сборного железобетона применяют следующие способы производства: поточно-агрегатный, конвейерный, стендовый.

Способ производства выбирается в зависимости от:

-вида изделий;

- размеров;- массы конструкции;

- от способа армирования;

- от объемов производства;

- на основе  технико-экономических расчетов.

Ранее наиболее распространенным являлся агрегатно- поточный способ производства железобетонных изделий. Агрегатно-поточный способ рекомендуется применять на заводах ЖБИ, имеющих широкую номенклатуру продукции.

При поточно-агрегатном способе производства формуемые железобетонные изделия перемещают по потоку от одного технологического поста к другому при помощи транспортных средств. На каждом посту установлено стационарное оборудование - агрегаты, выполняющие отдельные технологические операции.

Достоинства способа: маневренность, возможность при небольших капитальных затратах обеспечить большой съем продукции с 1 м² производственной площади.

Недостатки:невозможность полной автоматизации, механизации и повышения производительности труда.

Конвейерный способхарактеризуется следующими признаками: мак­симальное расчленение технологического процесса на операции, выполняе­мые на отдельных рабочих постах, перемещение форм и изделий от поста к посту с регламентированным ритмом. Наиболее прогрессивный способ, используется при массовом изготовлении изделий небольших размеров при объеме производства свыше 20 тыс.м³ в год.

Достоинства:высокое качество изделий, минимум трудоемкость, максимум механизации и автоматизации.

Недостатки:большие начальные капиталовложения, высокая металлоемкость, энергоемкость, сложности при смене номенклатуры изделий.

Стендовый способ производства железобетонных изделий характери­зуется следующими основными признаками: весь процесс производства осуществляется в неподвижных формах или на специальных стендах; изде­лия в процессе обработки остаются неподвижными, а рабочее и технологи­ческое оборудование перемещается от одной формы к другой; за каждым стендом или формой закрепляется одно или несколько технологически од­нородных изделий.

Этот способ применяют в условиях высоко­механизированного заводского производства, преимущественно для изго­товления крупноразмерных и массивных конструкций. Способ требует больших производственных площадей.(объем производства не более 10-12 тыс.м³ в год).

Достоинства:сравнительно небольшие капитальные затраты, несложное оборудование требуется немного времени на организацию производства.

Недостатки:низкая механизация труда, высокая трудоемкость. Высокая себестоимость, требуются большие производственные площади.

Теп­ловую обработку осуществляют также непосредственно в форме. Стендо­вый способ наиболее распространен на полигонах - открытых, специально оборудованных площадках.

Кассетный способ - качественно новая форма стендовой технологии, получившая широкое развитие в производстве железобетонных изделий для крупнопанельного домостроения. Основной особенностью кассетного способа производства является вертикальное формование изделий в стационарных кассетных установках, состоящих из нескольких вертикальных металлических форм – отсеков (кассеты (бывает до 12 шт.) В каждый отсек помещают арматурный каркас, после чего его заполняют бетонной смесью. Уплотняют смесь навесными или глубинными вибраторами. Для пропаривания предусмотрены паровые отсеки между рабочими.

Достоинства: можно получать изделия с довольно точными размерами, не требуются пропарочные камеры и виброплощадки, и сокращаются производственные площади, более высокая производительность труда.

Недостатки:ограниченная номенклатура изделий (плитные)

Для армирования железобетонных изделий применяют арматурную сталь различных классов, в зависимости от ее механичес­ких свойств и технологии изготовления.

Для формования обычных (ненапряжённых) железобетонных монолитных сооружений, а также сборных изделий и конструкций применяют сварные сетки и каркасы, рулонные сетки из стальной горячекатаной арматуры. При изготовлении ненапряженных конструкций и изделий применяют высокопрочную проволоку, арматурные канаты. Арматуру предварительно растягивают (напрягают). Натяжение арматуры осуществляют до бетонирования с помощью различных анкеров и зажимов. После укладки, затвердевания бетонной смеси и приобретения бетоном прочности концы арматуры освобождают (отрезают) и она, стремясь возвратиться в первоначальное состояние, напрягает (обжимает) бетон. При монтаже напряжённых конструкций арматуру помещают в специальные каналы, после чего растягивают таким образом, чтобы в процессе растяжения происходило обжатие этих элементов в конструкции. После достижения необходимого обжатия конструкции и растяжения арматуры концы её заанкеривают, а каналы в которых проходит арматура, омоноличивают высокопрочным цементным раствором. Когда раствор приобретает необходимую прочность, концы арматуры обрезают, в результате чего конструкция приобретает напряжение, которое позволяет увеличить её несущую способность.

Для формования железобетонных изделий применяют, как правило, металлические формы. Они способны выдер­жать до 1000 оборотов, в них изделия достигают заданных размеров и сохраняют их в процессе последующих технологических операций. Недостаток металлических форм - их высокая металлоемкость.

Перед формованием металлическую форму очищают, собирают и смазывают специальными составами, препятствующими сцеплению бето­на с металлом формы. Формование изделий проводят после установки в формы арматурного каркаса. Сам процесс формования включает укладку бетонной смеси в форму и ее уплотнение.

Основным способом уплотнения бетонной смеси при производстве сборного железобетона является вибрирование.

Твердение бетонных и железобетонных изделий при обычной тем­пературе (15..20 ⁰С) нерационально, т.к. оно слишком продолжительно и, задерживает выпуск готовой продук­ции, составляет 28 суток. Для ускорения твердения изделий применяют тепловлажностную обработку, которая длится несколько часов до получения не менее 50...70 % проектной марочной прочности бетона.

После приемки отделом технического контроля готовые изделия направляют на склад готовой продукции. Железобетонные изделия на складах укладывают в штабеля так, чтобы их заводскую маркировку можно было легко прочитать со стороны прохода или проезда, а монтажные петли обращены кверху.