История цемента. Когда материал привезли в Россию.

Цементами называют искусственные, порошкообразные вяжущие материалы, которые при взаимодействии с водой, с водными растворами солей или другими жидкостями образовывают пластичную массу, которая со временем затвердевает и превращается в прочное камневидное тело – цементный камень.

Первым природным вяжущим была глина. Глина и жирная земля после смешивания с водой и высыхания приобретали некоторую прочность. Однако в виду низких потребительских качеств данных материалов (с использованием глины возводились постройки, не требующие значительной прочности) – люди занимались поиском более совершенных вяжущих.

Первый ранний предшественник бетона был обнаружен на берегу Дуная на территории современной Югославии – в хижине древнего поселения каменного века находился пол из бетона толщиной до 25 см. Бетон для этого пола приготавливался на гравии и красноватой местной извести. Ориентировочный возраст находки – более 5000 лет до н. э. Но это скорее относится к исключению из правил, массовое применение извести при строительстве датируется гораздо более поздними сроками.

В плане массового использования при строительстве, более чем за 3 тыс. лет до н. э., в Египте, Индии и Китае начали изготавливать искусственные вяжущие – такие как гипс. Это обуславливалось тем, что при обжиге строительного гипса использовалось гораздо меньше топлива (температура обжига 140–190 С), чем для производства извести. Известь является древнейшим искусственным минеральным вяжущим веществом после гипса, есть сведения, что египтяне использовали смешанные известково-гипсовые растворы при строительстве пирамид. Однако гипс долгое время не терял своих позиций – в следствии меньшей энергоемкости при производстве, в том же Египте топливо было чрезвычайно дефицитным.

Впервые широко известь стала применяться в Греции для облицовочных работ и в гидротехнических сооружениях. Но лишь в римский период началось массовое применение извести для кладочных растворов.

Римляне развили строительное искусство, оставив после себя знаменитые памятники древнего мира. Римляне так же составили первые рекомендации по изготовлению и применению известковых растворов. Впервые применив вулканический пепел в качестве добавок – был изобретен предок так называемого «пуцоланнового цемента», названного по месту залежей сырья близ города Поццуолли.

В Киевской Руси основным связующим материалом была известь. Получали ее путем обжига известняка в специальных печах, которая позже гасилась в специальных ямах. Для приготовления строительного раствора использовалась известь разного состава – из чистого известняка получалась жирная белая известь (воздушная), а из известняка с глинистыми примесями – серая (гидравлическая, которая обладает способностью схватываться во влажной среде и использовалась при кладке). Белую известь использовали в основном при штукатурной работе. Хотя согласно некоторым исследованиям этим правилом не всегда руководствовались – вопрос рационального применения различных видов вяжущих также актуален и в современном строительстве. Заполнителем растворов являлась цемянка, т.е. мелкотолченая керамика, а также туф и пемза. Использовалась как специально обожженная и затем размолотая глина, так и недообоженный кирпич, а позже мелкотолченый кирпичный бой более крупных фракций – что давало меньшую усадку при твердении и увеличивало трещиностойкость. Однако тонкомолотая глина придавала дополнительные гидравлические свойства цемянке. Но видно уже тогда вопрос экономии и удешевления материалов и использования отходов производства (брак кирпича) не всегда решался в соответствии с задачей сохранения качества продукции. Использование толченой керамики в качестве заполнителя – прием, широко применявшийся многими древними народами. К примеру, в Индии применялась известь в смеси с сурки – молотым кирпичом. Интересно, что в раннем зодчестве в строительных растворах в качестве заполнителя песок практически не использовался. В качестве вяжущего также использовался гипс, а заполнитель – дробленый алебастр.

В 1584 г. в Москве был учрежден «Каменный приказ», который наряду с заготовкой строительного камня и выпуском кирпича ведал также изготовлением извести. В частности в Москве появились первые производители – cухих строительных смесей – назывались они цементом (или «сементом»). Активно использовались добавки – бычья кровь, творог, яичный белок, кизяк и другие вещества, что свидетельствует о высоких требованиях к качеству возводившихся сооружений.

В 1829 г. профессор Фукс (Johann-Nepomuk Fuchs, 1774.1856) – немецкий химик и минералог показал, что всякий кремнеземистый минерал может быть годен для гидравлического цемента, если его подвергнуть обжигу. Такие породы, как граниты, гнейсы, порфиры, полевой шпат, слюда и даже простая глина, не говоря о чистом кремнеземе (горный хрусталь, халцедон), все после обжига затвердевают под водой с известью. Вопрос стоял только в доступности сырья и энергоемкости производства.

Еще ранее Фукса были проведены исследования французским инженером Вика, работы которого начались в 1812 г. (Луи Жозеф Вика еще в 1812 г. показал, что обожженная смесь чистой углекислой извести и глины в известной пропорции по измельчении затвердевает с водой без всяких прибавок. ), а в 1818 г. он высказал мнение и доказал опытом, что всякий известковистый минерал, содержащий глину в известном количестве, способен дать так называемую гидравлическую (т.е. твердеющую под водой) известь после надлежащего прокаливания. С 1837 по 1841 гг. Вика показал, что большая часть глин владеет свойством превращаться в пуццоланы вследствие обжига, т.е. затвердевать с известью под водой, почему продукт обжига глин и назвали искусственной пуццоланой (цемянкой). Вика предпринял затем исследование разных французских глин, мергелей, известняков, благодаря которому, во Франции быстро стало развиваться производство гидравлических известей и цементов, получаемых прокаливанием естественных глинистых известняков.

Незадолго до Вика, Джеймс Паркер открыл, что глинистые почвы устьев Темзы с 30–35% глины после обжигания и измельчения дают цемент, на производство которого он и взял патент, назвав свой цемент – романским. Несколько лет спустя такое же открытие было сделано французами в Булони. Во Франции они тоже получили название романских цементов, или быстротвердеющих (быстросхватывающих), но впоследствии из естественных глинистых известняков стали делать и медленно схватывающие цементы, почему за всеми цементами этого рода оставлено только название «романских», без других характеристик. Большие неудобства, зависящие от неоднородности глинистых известняков, повели к дальнейшим весьма важным открытиям в приготовлении цементов. Известняки с малым содержанием глины дают гидравлическую известь, с большим содержанием – гидравлические цементы разных характеристик, а естественные толщи мергелей даже незначительной мощности обыкновенно очень неоднородны по составу. Поэтому возникло естественное желание приготовить гидравлический цемент из смеси глины и извести. Вика показал, что это возможно, но практическое осуществление эта мысль получила в России и Англии. Интересно, что до настоящего времени для определения сроков схватывания цементного теста применяется прибор, который по имени его изобретателя называется иглой Вика.

В 1822 г. в Петербурге вышла книга Е.Г. Челиева «Трактат об искусстве приготовлять хорошие строительные растворы», а в 1825 году Челиев в книге «Полное наставление, как приготовлять дешевый и лучший мертель или цемент, весьма прочный для подводных строений» обобщил опыт улучшения свойств вяжущих материалов, накопленный при восстановлении Кремля, разрушенного во время Отечественной войны 1812 года. Егор Герасимович Челиев начинал работать в Саратове, затем стал участником восстановления Москвы после пожара в 1812 году. Именно тогда он начал проводить эксперименты с различными материалами, чтобы найти скрепляющий состав для кирпича и камня. Стремление получить еще более совершенный вид гидравлического вяжущего привело русского строителя Челиева к важному открытию: при обжиге в горне на сухих дровах смеси извести и глины до «белого жару» (при температуре свыше 1100–1200 С) получался спекшийся продукт, обладавший в измельченном виде высокими механическими свойствами и способностью твердеть в воде. Егор Герасимович Челиев является изобретателем современного цемента.

В 1824 году Джозеф Aспдин, британский каменщик, получил патент на «Усовершенствованный способ производства искусственного камня», который он создал на собственной кухне. Изобретатель нагрел смесь хорошо подробленного известняка и глины в кухонной печи, после раздробил комок смеси в порошок и получил гидравлический цемент, который затвердел при добавлении воды. Aспдин назвал полученный продукт – портландцементом, потому что при производстве он использовал камни с карьера, который находился на острове Портланд. Однако только 30 лет спустя после этого открытия английские портландцементы получили распространение, а затем и преобладание. Толчок дала Лондонская всемирная выставка 1851 г., после которой на континенте весь портландцемент назывался английским.

Полученное Аспдином вяжущее не было портландцементом в современном смысле этого слова, а представляло собой разновидность романцемента, полученного при несколько повышенной температуре обжига (900–1000 С), однако название «портландцемент» сохранилось и поныне. Гидравлическое вяжущее, описанное Е.Г. Челиевым, ближе по свойствам к современному портландцементу, а по качеству превосходило портландцемент Аспдина.

Дело Челиева продолжили русские ученые Р.Л. Шуляченко, А.А. Байков, В.А. Кинд, С.И. Дружинин, В.Н. Юнг, П.П. Будников, В.Ф. Журавлев и др.

Д.И. Менделеев в книге «Основы химии» рассматривает ряд вопросов, связанных с химией силикатов, в частности цементов.

После Октябрьской революции развитию цементной науки уделялось большое внимание – так как цементная промышленность является базовой в обеспечение экономической мощи страны. Была создана научная основа цементной промышленности – по всей стране были созданы организации, занимающиеся проблемами и перспективами развития производства цемента.

Последние 15 лет недостаточного внимания к цементной науке привело к тому, что утеряно как минимум 75% научного потенциала отрасли. Оставшиеся 25% нуждаются в инвестициях со стороны производителей и поддержке со стороны государства.

Источник: cement.ru

Когда изобрели цемент: кто придумал и в каком году, история появления

История цемента как строительного материала насчитывает много лет, в течение которых менялись его структура, состав и технические характеристики с целью улучшения качеств и определения самого удачного варианта. Сегодня цемент является одним из основных строительных материалов, ведь представить осуществление каких-либо работ без бетона очень сложно.

Цемент представляет собой неорганическое гидравлическое вяжущее искусственного происхождения, которое в процессе взаимодействия с водой и другими жидкостями создает пластичную массу, способную затвердевать и превращаться в каменный монолит с высокими прочностными характеристиками. Особенность цемента – способность набирать прочность в условиях влажности, что не могут делать другие минеральные вяжущие (воздушная известь, гипс и т.д.).

Основным показателем свойств цемента является его марка: буква М и цифры рядом обозначают уровень прочности на сжатие и другие сопутствующие характеристики (М200, М500). Производят цемент посредством тонкого помола гипса и клинкера (продукт равномерного обжига до состояния спекания однородного сырья из глины и известняка). В процессе измельчения в состав могут вводиться разные добавки для изменения свойств.

Виды цемента по основному минералу:

Романцемент – больше белита, сейчас его не производят.
Портландцемент – больше алита, самый распространенный.
Магнезиальный (цемент Сореля) – на базе магнезита, затворяется только водным раствором солей.
Глиноземистый – преобладает алюминатная фаза.
Биоцемент – появился благодаря использованию в производстве биотехнологий.
Кислотоупорный – на базе гидросиликата натрия: смесь кремнефтористого натрия и кварцевого песка затворяют водным раствором жидкого стекла.

Чаще всего используют портландцемент, который производят путем нагрева глины и известняка до +1450-1480 градусов. Смесь плавится, формируя гранулы клинкера, который потом смалывают с гипсом.

Основные фазы типичного клинкера для производства портландцемента:

Алит – самый важный компонент клинкера (его в составе 50-70%), быстро вступает в реакцию с водой, влияет на прочность, особенно важен для 28-суточной прочности.
Белит – 15-30% в составе, в реакцию вступает медленно, на прочность влияет мало в течение 28 суток, но потом повышает показатель.
Алюминат – 5-10%, реагирует с водой быстро, может стать причиной слишком быстрого схватывания (для препятствования этому часто добавляют гипс).
Феррит – 5-15% в составе, скорость реакции с водой может быть разной, но обычно высокая вначале, замедляется позже.

Немного предыстории о материале

Содержание статьи:

• 1 Немного предыстории о материале
• 2 Характеристики и области применения наиболее востребованных марок

На вопрос о том, когда изобрели цемент, ответить трудно. Принято считать, что основные способы производства вяжущих нашли в 3-4 тысячелетии до н.э. Случилось это при обжиге горных пород и измельчении того, что получилось. Самые первые созданные искусственно вяжущие – это строительный гипс и известь.

Именно их использовали в строительстве бетонной галереи лабиринта (Египет, 3600 год до н.э.), Великой Китайской стены, Римского Пантеона, давних домов в Мексике.

Ввиду того, что глина и гипс могут затвердевать лишь на воздухе, их называют воздушными. Прочность материалы демонстрируют сравнительно невысокую. По мере изучения свойств материалов их водостойкость начали повышать добавлением мелкосмолотой обожженной глины, вулканических пород (это «пуццоланы» — название пошло от места залегания пород в городе Поццуолли, древний Рим).

С 1584 года в Москве начал действовать «Каменный приказ», направленный на производство кирпича, заготовку камня для строительных целей, а также производство извести. В течение многих лет гипс и известь оставались основными видами вяжущего. В 18 столетии в России начала интенсивно развиваться промышленность, были попытки систематизировать знания про вяжущие вещества, создавать новые виды.

Цемент был изобретен в 1822 году, когда русский строитель Егор Челиев смешал глину с известью и получил материал, обладающий вяжущими свойствами. Через несколько лет он издал книгу, где полностью описал процесс приготовления не только цементных материалов, но и бетон, а также рассмотрел достоинства их применения в кладке кирпичей, возведении зданий и набережных.

В 1824 году Джозеф Аспдин смог придумать современный портландцемент, который после смешивания с щебнем, песком и водой можно было применять в качестве бетона. Материал прекрасно выдерживал сжатие, но боялся растяжений. Тогда же начали изучать другие материалы и знали, что железные балки хорошо выдерживают растяжение, но боятся сжатия.

Практически одновременно несколько людей решили соединить свойства двух материалов для лучшего результата. На юге Франции в 1850 году Жан-Луи Ламбо построил несколько лодок из армированного железной сеткой бетона. В 1854 году британец Уильям Уилкинсон первым использовал бетонные панели, армированные железными балками, в возведении 2-этажного дома в Ньюкасле.

Тогда же примерно еще один строитель, Франсуа Куанье, во Франции решил поэкспериментировать – он первым связал стеновые панели со стальной арматурой перекрытий. Правда, в массы это не пошло. А вот ввел в практику железобетон человек, далекий от строительства. Создание железобетона стало одним из самых важных событий за всю историю строительства.

В 1846 году Джозеф Монье был назначен садовником оранжереи в известном саду Тюильри, что возле Лувра. Ему понадобились прочные садовые кадки для пересадки на зиму апельсиновых деревьев. Монье создал несколько кадок из смеси цемента, песка, молотого кирпича, золы (бетон), но конструкция постоянно покрывалась трещинами. И тогда Монье решил укрепить их железными стержнями.

Тогда принято было считать, что железо разрушает бетон при перепадах температур, но за 3 года все кадки остались целы. Тогда Монье сделал таким же образом емкости для воды, элементы украшения ландшафта, а в 1867 году представил железобетон миру в Париже, запатентовав его использование в искусственных водоемах. Дальше были оформлены и другие патенты – на бассейны и трубы, строительные панели, конструкции мостов, шпалы и балки.

Изобретенный Монье материал в 1875 году под его же руководством был использован в строительстве небольшого моста в замке Шазелье. А потом, в 1879 году, инженер-строитель из Германии по имени Густав Вайс выкупил все патенты у Монье и усовершенствовал конструкцию, передвинув арматуру в бок максимальной нагрузки на растяжение (ведь Монье инженером не был, такие нюансы не учитывал).

Таким образом, Густав Вайс завершил работы по созданию современного железобетона. Цемент с самого момента появления был очень высоко оценен. Сегодня без него не обходится практически никакое грандиозное строительство, материал используется во всех сферах, разных изделиях, конструкциях, зданиях.

Цемент – это не какой-то отдельный строительный материал, этот термин обозначает группу веществ с определенными физическими характеристиками: порошкообразность, вязкость, способность создавать пластичную массу с водой, а после высыхания становиться монолитом. Процесс всегда односторонний, обратно вернуть ничего нельзя.

Затвердевший цемент никогда не вернется в исходное состояние. Главные компоненты цемента – маргелистые, глинистые, известковые породы, разные добавки (бокситы, шлак и т.д.). После высокотехнологичной и высокотемпературной обработки сырье сплавляется (частично или полностью), создавая алюминаты/силикаты кальция, что делает его прочным. Видов цемента много.

Добавки в цементе обозначаются буквой Д и указывают процент (Д20 – 20% модифицирующих добавок). Если цемент чистый, стоит Д0. Благодаря добавкам удается повысить такие показатели, как стойкость к воде и коррозии, морозу и солнцу, упругость и пластичность, а также другие.

Характеристики и области применения наиболее востребованных марок

Рассматривая цемент и его характеристики, нужно понимать, какой функционал возложен на материал. Главная задача вяжущего – связывание всех компонентов конструкции/изделия в монолитное целое. Существует всего 2 типа вяжущих: воздушные (твердеющие на воздухе) и те, на свойства которых оказывает воздействие вода. Воздушные вяжущие – это гипс, глина, воздушная известь, гидравлические – цемент и гидравлическая известь.

Цемент – самый часто используемый вяжущий материал, который дает возможность создавать изделия/конструкции высокой прочности. В соответствии с типом исходного сырья и добавок есть два типа цемента – портландцемент и шлакопортландцемент. Портландцемент делится на быстротвердеющий материал и вяжущее с минеральными добавками.

Бетонные конструкции, в производстве которых используют цемент, могут обладать самыми разными техническими характеристиками. Добавки позволяют повышать свойства стойкости к морозу, влаге, агрессивным средам, погодным условиям, нагрузкам и т.д. Так, бетон используют для возведения домов и зданий, изделий и конструкций, даже ракетно-стартовых площадок и аэродромов.

Для обозначения максимальных показателей прочности используют понятие «марка» и цифры. Так, марка М400 указывает, что в лабораторных испытаниях затвердевший кубик из цемента с ребром 10 сантиметров при раздавливании под прессом выдерживает нагрузку 400 кг/см2. Самые распространенные марки – от М200 до М500. Есть цемент М600 и выше, но он актуален для возведения военных объектов, конструкций особого назначения.

Все цементы твердеют достаточно быстро – первоначальное схватывание начинается через 40-50 минут после затворения водой, конец твердения – через 12 часов. Полную прочность цемент набирает в течение 28 суток.

Самые востребованные марки цемента:

Портландцемент М400 – прочность 400 кгс/см2, применяют в производстве бетонных/железобетонных, монолитных конструкций, сборных ЖБИ, строительных растворов для штукатурки и кладки. Также цемент используют в бетоне для производства искусственной брусчатки, элементов мощения, садовых и дорожных бордюров.
Портландцемент М500 – прочность на сжатие равна 500 кгс/см2, марка отличается быстрым схватыванием и твердением. Из цемента выполняют строительство гидротехнических сооружений, создание высокопрочных сборных ЖБИ, монолитных сооружений, проведение аварийных ремонтных работ (при условии первоначально высокой прочности) и т.д.

Сульфатостойкий цемент – используют для создания конструкций, которые будут испытывать влияние сульфатных вод, при переменном горизонте, с постоянным замораживанием/оттаиванием, увлажнением/высыханием. Делают мосты, сваи, опоры для работы в минеральных водах.
Тампонажный – для цементирования газовых, нефтяных, иных скважин.
Напрягающий – актуален для ремонта/строительства подземных емкостных конструкций бассейнов, сооружений, гаражей под землей, тоннелей и т.д.
Высокоглиноземистый цемент – дает бетонам быстрое твердение, максимальную прочность в минимальные сроки, высокую огнеупорность и стойкость к агрессивным средам. Часто такой цемент используют для восстановления прорванных труб и плотин, разрушенных мостов и дорог, в срочном создании фундаментов.
Белый и цветной портландцемент – актуален для выполнения скульптурных, архитектурно-отделочных работ, покраски бетонных, кирпичных, шлакоблочных частей сооружений/зданий.

Разные виды цемента могут отличаться по физико-техническим свойствам. Основной критерий выбора марки цемента – сфера эксплуатации изделия, конструкции, здания, предполагаемые нагрузки, условия.

Дополнительные характеристики цемента, на которые нужно обращать внимание:

Активность – проверяется путем сжимания образца до разрушения, выражается в определенных показателях.
Плотность – считают по объему свежего цемента. Имеет значение крупность помола, которая должна быть равна 1.3 т/м3, но многое зависит от условий транспортировки, хранения. Цемент может слеживаться, уплотняться, поэтому при весе 1.3 т допускается уменьшение веса, но не очень значительное.
Срок годности – с момента производства до использования должно пройти не больше 6 месяцев (но производители гарантируют заявленные характеристики лишь в течение 2 месяцев). Цемент в мешках в условиях закрытого помещения и оптимальной влажности может храниться 3 месяца, в биг-бегах – до 6.

Время застывания – добавки регулируют этот параметр, но многое зависит от сезона (в летнее время кладочный раствор застывает за 2-3 часа до первичной крепости, зимой – до 8 часов).
Стойкость к коррозии – способность твердого монолита противостоять различным агрессивным воздействиям (щелочных/химических сред).
Водопотребность – потребность сухой смеси в определенном объеме воды для получения подвижности в применении.
Тонкость помола – главный показатель дисперсности, определяется числом сухого остатка на сите при контрольном просеивании. Параметр влияет на прочность застывшего монолита.
Морозостойкость – стойкость к отрицательным температурам, способность выдерживать определенное число циклов замораживания/оттаивания. Для повышения показателя используют минеральные добавки.

История цемента показывает, что создание данного вещества стало одним из самых важных событий в ремонтно-строительной сфере. Не менее важным этапом стало и объединение бетона с металлом, открыв эру железобетонных зданий, конструкций, изделий. При выборе цемента необходимо ориентироваться на основные марки и их характеристики, обращая внимание на соответствие требованиям по проекту, условиям эксплуатации, нагрузкам и т.д.

Источник

The History of Concrete — InterNACHI®

by Nick Gromicko, CMI® and Kenton Shepard

Период времени, в течение которого был впервые изобретен бетон, зависит от того, как интерпретируется термин «бетон». Древние материалы представляли собой сырой цемент, полученный путем дробления и обжига гипса или известняка. Известь также относится к измельченному, обожженному известняку. Когда к этим цементам добавили песок и воду, они превратились в раствор, похожий на гипс, используемый для склеивания камней друг с другом. На протяжении тысячелетий эти материалы совершенствовались, комбинировались с другими материалами и в конечном итоге превратились в современный бетон.

Современный бетон изготавливается из портландцемента, крупных и мелких заполнителей из камня и песка и воды. Добавки представляют собой химические вещества, добавляемые в бетонную смесь для контроля ее свойств схватывания и используемые в основном при укладке бетона в экстремальных условиях окружающей среды, таких как высокие или низкие температуры, ветреная погода и т. д.

Предшественник бетона был изобретен примерно в 1300 г. до н.э., когда Средний Восточные строители обнаружили, что, когда они покрывали свои глиняные крепости и стены домов снаружи тонким влажным слоем обожженного известняка, он вступал в химическую реакцию с газами в воздухе, образуя твердую защитную поверхность. Это был не бетон, но это было началом разработки цемента.

Ранние цементные композиционные материалы обычно включали измельченный раствор, обожженный известняк, песок и воду, которые использовались для строительства из камня, в отличие от отливки материала в форму, которая, по сути, используется в современном бетоне с формой. бетонные формы.

Являясь одним из ключевых компонентов современного бетона, цемент существует уже давно. Около 12 миллионов лет назад на территории современного Израиля в результате реакции между известняком и горючим сланцем в результате самовозгорания образовались естественные залежи. Однако цемент не является бетоном. Бетон — композитный строительный материал, и ингредиенты, одним из которых является цемент, со временем менялись и меняются даже сейчас. Эксплуатационные характеристики могут изменяться в зависимости от различных сил, которым должен противостоять бетон. Эти силы могут быть постепенными или интенсивными, они могут исходить сверху (гравитация), снизу (пучение почвы), сбоку (боковые нагрузки), или они могут принимать форму эрозии, истирания или химического воздействия. Ингредиенты бетона и их пропорции называются проектной смесью.

Раннее использование бетона

Первые похожие на бетон сооружения были построены набатейскими торговцами или бедуинами, которые оккупировали и контролировали ряд оазисов и создали небольшую империю в регионах южной Сирии и северной Иордании примерно в 6500 г. до н.э. . Позже они обнаружили преимущества гидравлической извести, то есть цемента, который затвердевает под водой, и к 700 г. до н.э. построили печи для приготовления раствора для строительства домов из бутового камня, бетонных полов и подземных водонепроницаемых цистерн. Цистерны держались в секрете и были одной из причин, по которой набатеи смогли процветать в пустыне.

При изготовлении бетона жители Набатеи понимали, что смесь должна быть как можно более сухой или с малой осадкой, так как избыток воды приводит к образованию пустот и слабых мест в бетоне. Их строительные методы включали утрамбовку свежеуложенного бетона специальными инструментами. В процессе трамбовки образовалось больше геля, который представляет собой связующий материал, образующийся в результате химических реакций, происходящих во время гидратации, которые связывают частицы и объединяются вместе.

Древнее здание Набатеи

Как и римляне 500 лет спустя, у набатеев был местный материал, который можно было использовать для придания водостойкости цементу. На их территории находились крупные поверхностные залежи мелкозернистого кварцевого песка. Подземные воды, просачивающиеся через кремнезем, могут превратить его в пуццолановый материал, представляющий собой песчаный вулканический пепел. Чтобы сделать цемент, набатеи обнаружили залежи, собрали этот материал и смешали его с известью, а затем нагрели в тех же печах, которые они использовали для изготовления своей керамики, поскольку целевые температуры находились в том же диапазоне.

Примерно к 5600 г. до н.э. вдоль реки Дунай на территории бывшей страны Югославии были построены дома с использованием бетона для полов.

Египет

Около 3000 г. до н.э. древние египтяне использовали глину, смешанную с соломой, для изготовления кирпичей. Грязь с соломой больше похожа на саман, чем на бетон. Тем не менее, они также использовали гипсовые и известковые растворы при строительстве пирамид, хотя большинство из нас думает о растворе и бетоне как о двух разных материалах. Для Великой пирамиды в Гизе потребовалось около 500 000 тонн раствора, который использовался в качестве подстилки для облицовочных камней, образующих видимую поверхность готовой пирамиды. Это позволило каменщикам вырезать и устанавливать облицовочные камни с раскрытием швов не шире 1/50 дюйма.

Камень для облицовки пирамиды

Китай

Примерно в это же время северные китайцы использовали форму цемента при строительстве лодок и Великой Китайской стены. Спектрометрические испытания подтвердили, что ключевым ингредиентом раствора, использованного при строительстве Великой китайской стены и других древних китайских построек, был клейкий клейкий рис. Некоторые из этих построек выдержали испытание временем и выдержали даже современные попытки сноса.

Рим

К 600 г. до н.э. греки открыли природный материал пуццолан, который проявлял гидравлические свойства при смешивании с известью, но греки не были так плодовиты в строительстве из бетона, как римляне. К 200 г. до н.э. римляне очень успешно строили из бетона, но это не было похоже на бетон, который мы используем сегодня. Это был не пластичный, текучий материал, разлитый по формам, а скорее сцементированный щебень. Римляне строили большую часть своих построек, складывая камни разного размера и вручную заполняя промежутки между камнями раствором. Наземные стены были облицованы как внутри, так и снаружи глиняными кирпичами, которые также служили формами для бетона. Кирпич практически не имел структурной ценности, и его использование было в основном косметическим. До этого времени и в большинстве мест того времени (включая 95% Рима), обычно используемые растворы представляли собой простой известняковый цемент, который медленно затвердевал в результате реакции с переносимым по воздуху углекислым газом. Истинная химическая гидратация не происходила. Эти минометы были слабыми.

Для более грандиозных и искусных построек римлян, а также для их наземной инфраструктуры, требующей большей прочности, они делали цемент из естественно реактивного вулканического песка под названием harena fossicia . Для морских сооружений и сооружений, подверженных воздействию пресной воды, таких как мосты, доки, ливневые стоки и акведуки, они использовали вулканический песок, называемый пуццуоланой. Эти два материала, вероятно, представляют собой первое крупномасштабное использование действительно цементного вяжущего. Поццуолана и harena fossicia вступает в химическую реакцию с известью и водой для гидратации и затвердевания в камнеподобную массу, которую можно использовать под водой. Римляне также использовали эти материалы для строительства больших сооружений, таких как римские бани, Пантеон и Колизей, и эти сооружения стоят до сих пор. В качестве примесей они использовали животный жир, молоко и кровь — материалы, отражающие очень примитивные методы. С другой стороны, помимо использования природного пуццолана, римляне научились производить два типа искусственного пуццолана — кальцинированную каолинитовую глину и кальцинированные вулканические камни, — что, наряду с впечатляющими строительными достижениями римлян, свидетельствует о высоком уровне технического совершенства для того времени.

Пантеон

Построенный римским императором Адрианом и завершенный в 125 году нашей эры, Пантеон имеет самый большой неармированный бетонный купол из когда-либо построенных. Купол имеет диаметр 142 фута и имеет 27-футовое отверстие, называемое окулусом, на вершине, которая находится на высоте 142 фута над полом. Он был построен на месте, вероятно, начиная с внешних стен и наращивая все более тонкие слои, продвигаясь к центру.

Наружные стены фундамента Пантеона имеют ширину 26 футов и глубину 15 футов и сделаны из пуццоланового цемента (известь, активный вулканический песок и вода), утрамбованного поверх слоя плотного каменного заполнителя. То, что купол все еще существует, является чем-то вроде счастливой случайности. Оседание и движение в течение почти 2000 лет, а также случайные землетрясения создали трещины, которые в обычных условиях ослабили бы структуру настолько, что к настоящему времени она должна была бы рухнуть. Внешние стены, поддерживающие купол, содержат семь равномерно расположенных ниш с камерами между ними, которые выходят наружу. Эти ниши и камеры, первоначально предназначенные только для минимизации веса конструкции, тоньше, чем основные части стен, и действуют как контрольные соединения, которые контролируют расположение трещин. Напряжения, вызванные движением, снимаются трещинами в нишах и камерах. Это означает, что купол в основном поддерживается 16 толстыми структурно прочными бетонными колоннами, образованными частями наружных стен между нишами и камерами. Другим методом экономии веса было использование очень тяжелых заполнителей с низкой структурой и использование более легких и менее плотных заполнителей, таких как пемза, высоко в стенах и в куполе. Стенки также сужаются по толщине, чтобы уменьшить вес выше.

Римские гильдии

Еще одним секретом успеха римлян было использование ими торговых гильдий. У каждого ремесла была гильдия, члены которой отвечали за передачу своих знаний о материалах, методах и инструментах ученикам и римским легионам. Помимо боевых действий, легионы обучались самодостаточности, поэтому их также обучали методам строительства и инженерии.

Технологические вехи

В Средние века бетонные технологии отстали. После падения Римской империи в 476 году нашей эры методы изготовления пуццоланового цемента были утеряны до тех пор, пока обнаружение в 1414 году рукописей, описывающих эти методы, не возродило интерес к строительству из бетона.

Только в 1793 году технология сделала большой скачок вперед, когда Джон Смитон открыл более современный метод производства гидравлической извести для цемента. Он использовал известняк, содержащий глину, которую обжигали до тех пор, пока она не превращалась в клинкер, который затем измельчали ​​в порошок. Он использовал этот материал при исторической реконструкции маяка Эддистоун в Корнуолле, Англия.

Версия Смитона (третья) Эддистоунского маяка, построенная в 1759 году. 

Через 126 лет он рухнул из-за эрозии скалы, на которой стоял.

Наконец, в 1824 году англичанин по имени Джозеф Аспдин изобрел портландцемент, обжигая мелкоизмельченный мел и глину в печи до удаления углекислого газа. Он был назван «портландским» цементом, потому что он напоминал высококачественные строительные камни, найденные в Портленде, Англия. Широко распространено мнение, что Аспдин был первым, кто нагрел материалы из оксида алюминия и кремнезема до точки стеклования, что привело к плавлению. В процессе витрификации материалы становятся стеклоподобными. Аспдин усовершенствовал свой метод, тщательно смешивая известняк и глину, измельчая их в порошок, а затем сжигая смесь в клинкер, который затем измельчали ​​в готовый цемент.

Состав современного портландцемента

До того, как был открыт портландцемент, и в течение нескольких лет после этого использовались большие количества природного цемента, который производился путем обжига природной смеси извести и глины. Поскольку ингредиенты натурального цемента смешаны по своей природе, его свойства сильно различаются. Современный портландцемент производится в соответствии с подробными стандартами. Некоторые из многих соединений, обнаруженных в нем, важны для процесса гидратации и химических характеристик цемента. Он производится путем нагревания смеси известняка и глины в печи до температуры от 1300°F до 1500°F. До 30% смеси становится расплавленным, но остальная часть остается в твердом состоянии, подвергаясь химическим реакциям, которые могут быть медленными. В конце концов, смесь образует клинкер, который затем измельчают в порошок. Добавляется небольшое количество гипса, чтобы замедлить скорость гидратации и сохранить работоспособность бетона дольше. Между 1835 и 1850 годами впервые были проведены систематические испытания для определения прочности цемента на сжатие и растяжение, а также первые точные химические анализы. Только в 1860 году впервые был произведен портландцемент современного состава.

Печи

На заре производства портландцемента печи были вертикальными и стационарными. В 1885 году английский инженер разработал более эффективную печь, которая была горизонтальной, слегка наклонной и могла вращаться. Вращающаяся печь обеспечивала лучший контроль температуры и лучше смешивала материалы. К 1890 году на рынке доминировали вращающиеся печи. В 1909 году Томас Эдисон получил патент на первую длинную печь. Эта печь, установленная на цементном заводе Edison Portland Cement Works в Нью-Виллидж, штат Нью-Джерси, имела длину 150 футов. Это было примерно на 70 футов длиннее, чем печи, использовавшиеся в то время. Промышленные печи сегодня могут иметь длину до 500 футов.

Вращающаяся печь

Вехи строительства

Хотя были и исключения, в 19 ^-м -м веке бетон использовался в основном для промышленных зданий. Он считался социально неприемлемым в качестве строительного материала по эстетическим соображениям. Первое широкое использование портландцемента в жилищном строительстве было в Англии и Франции между 1850 и 1880 годами французом Франсуа Куанье, который добавил стальные стержни, чтобы предотвратить расползание наружных стен, а позже использовал их в качестве элементов изгиба. Первым домом, построенным из железобетона, был коттедж для прислуги, построенный в Англии Уильямом Б. Уилкинсоном в 1854 году. В 1875 году американский инженер-механик Уильям Уорд построил первый железобетонный дом в США. Он до сих пор стоит в Порт-Честере, штат Нью-Йорк. Уорд усердно вел записи о строительстве, поэтому об этом доме известно очень много. Он был построен из бетона из-за страха его жены перед огнем, и, чтобы быть более приемлемым в обществе, он был спроектирован так, чтобы напоминать каменную кладку. Это было началом того, что сегодня представляет собой отрасль стоимостью 35 миллиардов долларов, в которой занято более 2 миллионов человек только в США.

Дом, построенный Уильямом Уордом, обычно называют замком Уорда.

В 1891 году Джордж Варфоломей залил первую бетонную улицу в США, и она существует до сих пор. Бетон, использованный для этой улицы, прошел испытания при давлении около 8000 фунтов на квадратный дюйм, что примерно в два раза превышает прочность современного бетона, используемого в жилищном строительстве.

Корт-стрит в Беллефонтейне, штат Огайо, старейшая бетонная улица в США

К 1897 году Sears Roebuck продавала 50-галлонные бочки с импортным портландцементом по 3,40 доллара за штуку. Хотя в 1898 году производители цемента использовали более 90 различных формул, к 1900 году базовые испытания, если не методы производства, стали стандартизированными.

В конце 19 ^— века использование железобетона разрабатывалось более или менее одновременно немцем Г.А. Уэйсс, француз Франсуа Хеннебик и американец Эрнест Л. Рэнсом. Рэнсом начал строительство из армированного сталью бетона в 1877 году и запатентовал систему, в которой использовались скрученные квадратные стержни для улучшения связи между сталью и бетоном. Большинство построенных им сооружений были промышленными.

Компания Hennebique начала строить дома из армированной стали во Франции в конце 1870-х годов. Он получил патенты на свою систему во Франции и Бельгии и добился больших успехов, в конце концов построив империю, продавая франшизы в крупных городах. Он продвигал свой метод, читая лекции на конференциях и разрабатывая собственные стандарты компании. Как и Рэнсом, большинство построек, построенных Хеннебиком, были промышленными. В 1879 году компания Wayss купила права на систему, запатентованную французом Монье, который начал использовать сталь для укрепления бетонных цветочных горшков и контейнеров для растений. Wayss продвигал систему Wayss-Monier.

В 1902 году Огюст Перре спроектировал и построил многоквартирный дом в Париже, используя железобетон для колонн, балок и перекрытий. В здании не было несущих стен, но имелся элегантный фасад, что делало бетон более социально приемлемым. Здание вызвало всеобщее восхищение, и бетон стал более широко использоваться как архитектурный, так и строительный материал. Его дизайн оказал влияние на проектирование железобетонных зданий в последующие годы.

25 Rue Franklin в Париже, Франция

В 1904 году в Цинциннати, штат Огайо, было построено первое бетонное высотное здание. Его высота составляет 16 этажей или 210 футов.

Здание Ингаллс в Цинциннати, штат Огайо

В 1911 году в Риме был построен мост Рисорджименто. Его длина составляет 328 футов.

Римский мост Рисорджименто

В 1913 году в Балтимор, штат Мэриленд, была доставлена ​​первая партия готовой смеси. Четыре года спустя Национальное бюро стандартов (ныне Национальное бюро стандартов и технологий) и Американское общество испытаний и материалов (ныне ASTM International) установили стандартную формулу портландцемента.

В 1915 году Матте Трукко построил пятиэтажный автомобильный завод Fiat-Lingotti в Турине из железобетона. На крыше здания находился автомобильный испытательный трек.

 Автозавод Fiat-Lingotti в Турине, Италия

Эжен Фрейсине был французским инженером и пионером в использовании железобетонных конструкций. В 1921 году он построил два гигантских ангара с параболическими арками для дирижаблей в аэропорту Орли в Париже. В 1928 году он получил патент на предварительно напряженный бетон.

Ангар аэродинамического корабля в Параболике в аэропорту Орли в Париже, Франция

АНКАР Строительство

9004 . стойкость бетона к замерзанию и улучшение его удобоукладываемости. Вовлечение воздуха было важным достижением в повышении долговечности современного бетона. Воздухововлечение — это использование реагентов, которые при добавлении в бетон во время перемешивания создают множество пузырьков воздуха, которые чрезвычайно малы и расположены близко друг к другу, и большая часть из них остается в затвердевшем бетоне. Бетон затвердевает в результате химического процесса, называемого гидратацией. Чтобы произошла гидратация, бетон должен иметь минимальное водоцементное отношение 25 частей воды на 100 частей цемента. Вода, превышающая это соотношение, является избыточной водой и помогает сделать бетон более пригодным для укладки и отделки. По мере высыхания и затвердевания бетона лишняя вода испаряется, оставляя поверхность бетона пористой. В эти поры может попадать вода из окружающей среды, такой как дождь и таяние снега. Морозная погода может превратить эту воду в лед. Когда это происходит, вода расширяется, создавая небольшие трещины в бетоне, которые будут увеличиваться по мере повторения процесса, что в конечном итоге приводит к отслаиванию поверхности и износу, называемому отслаиванием. Когда бетон наполнен воздухом, эти крошечные пузырьки могут слегка сжиматься, поглощая часть напряжения, создаваемого расширением, когда вода превращается в лед. Вовлеченный воздух также улучшает удобоукладываемость, поскольку пузырьки действуют как смазка между заполнителем и частицами в бетоне. Захваченный воздух состоит из более крупных пузырьков, попавших в бетон, и не считается полезным.

Thin Shell

Опыт строительства из железобетона в конечном итоге позволил разработать новый способ строительства из бетона; метод тонкой оболочки включает строительные конструкции, такие как крыши, с относительно тонкой оболочкой из бетона. Купола, арки и сложные кривые обычно строятся с помощью этого метода, поскольку они имеют естественную прочную форму. В 1930 году испанский инженер Эдуардо Торроха спроектировал для рынка в Альхесирасе невысокий купол толщиной 3,5 дюйма и шириной 150 футов. Стальные тросы использовались для формирования натяжного кольца. Примерно в то же время итальянец Пьер Луиджи Нерви начал строительство ангаров для ВВС Италии, показанных на фото ниже.

Сборные ангары для ВВС Италии

Ангары были отлиты на месте, но в большинстве работ Нерви использовал сборный железобетон.

Вероятно, самым опытным человеком, когда дело дошло до строительства с использованием методов бетонных оболочек, был Феликс Кандела, испанский математик, инженер-архитектор, который практиковал в основном в Мехико. Крыша Лаборатории космических лучей в Университете Мехико была построена толщиной 5/8 дюйма. Его фирменной формой был гиперболический параболоид. Хотя здание, показанное на фотографии ниже, не было спроектировано Канделой, это хороший пример гиперболической параболоидной крыши.

Гиперболическая параболоидная крыша церкви в Боулдере, штат Колорадо ниже.

Сиднейский оперный театр в Сиднее, Австралия

Плотина Гувера

другие сооружения, связанные с плотиной. Имейте в виду, что это произошло менее чем через 20 лет после того, как была установлена ​​стандартная формула цемента.

Заполнение бетоном колонн плотины Гувера в феврале 1934 г. прохладно, а напряжения от выделяемого тепла и сжатия, происходящего при отверждении бетона, могут привести к растрескиванию и разрушению конструкции. Решение заключалось в том, чтобы залить плотину рядом блоков, которые образовывали колонны, причем некоторые блоки были размером до 50 квадратных футов и высотой 5 футов. Каждая секция высотой 5 футов имеет ряд труб диаметром 1 дюйм, через которые прокачивалась речная вода, а затем механически охлажденная вода для отвода тепла. Как только бетон перестал сжиматься, трубы заполнили цементным раствором. Образцы бетонного сердечника испытаны в 1995 показали, что бетон продолжает набирать прочность и имеет прочность на сжатие выше средней.

Верхняя сторона плотины Гувера показана во время первого заполнения построен. Он содержит 12 миллионов ярдов бетона. Раскопки потребовали удаления более 22 миллионов кубических ярдов грязи и камня. Чтобы уменьшить количество автомобильных перевозок, была построена конвейерная лента длиной 2 мили. В местах фундамента раствор закачивался в отверстия, пробуренные глубиной от 660 до 880 футов (в граните), чтобы заполнить любые трещины, которые могут ослабить землю под плотиной. Во избежание обрушения котлована от веса вскрыши в землю были вставлены 3-дюймовые трубы, по которым перекачивалась охлажденная жидкость из холодильной установки. Это заморозило землю, стабилизировав ее настолько, что строительство могло продолжаться.

Плотина Гранд-Кули

Бетон для плотины Гранд-Кули был уложен с использованием тех же методов, что и для плотины Гувера. После помещения в колонны холодная речная вода прокачивалась по трубам, встроенным в твердеющий бетон, снижая температуру в формах с 105° F (41° C) до 45° F (7° C). Это привело к тому, что плотина сократилась примерно на 8 дюймов в длину, а образовавшиеся щели были заполнены цементным раствором.

Строительство плотины Гранд-Кули

Высотное строительство

В годы, последовавшие за строительством Ingalls Building в 1904 году, большинство высотных зданий были построены из стали. Строительство в 1962 году 60-этажных башен-близнецов Бертрана Голдберга в Чикаго вызвало новый интерес к использованию железобетона для высотных зданий.

Самая высокая конструкция в мире (по состоянию на 2011 год) построена из железобетона. Бурдж-Халифа в Дубае в Объединенных Арабских Эмиратах (ОАЭ) имеет высоту 2717 футов.

Вот несколько фактов:

• Это многофункциональная структура с гостиницей, офисными и торговыми помещениями, ресторанами, ночными клубами, бассейнами и 900 жилыми домами.
• При строительстве было использовано 431 600 кубических ярдов бетона и 61 000 тонн арматуры.
• Пустой вес здания составляет около 500 000 тонн, что примерно равно весу раствора, использованного при строительстве Великой пирамиды в Гизе.
• Бурдж-Халифа может одновременно вместить 35 000 человек.
• Чтобы покрыть 160 этажей, некоторые из 57 лифтов движутся со скоростью 40 миль в час.
• Жаркий и влажный климат Дубая в сочетании с кондиционированием воздуха, необходимым для работы при температурах наружного воздуха, достигающих более 120°F, приводит к образованию такого количества конденсата, что он собирается в накопительном баке в подвале и используется для орошения ландшафта.

Бурдж-Халифа в Дубае

Великая пирамида в Гизе удерживала рекорд самой высокой рукотворной постройки в мире около 4000 лет. Строительство здания на 568 футов выше Бурдж-Халифа планируется завершить в 2016 году в Кувейте.

*************************

Эта статья является первой в серии, которая поможет инспекторам InterNACHI понять характеристики и визуально осмотрите бетон.

История цемента