Історія бетону налічує багато років, даний матеріал використовували для проведення ремонтно-будівельних робіт ще в Стародавньому Єгипті, Індії, Римі. І побудовані тисячоліття тому будівлі стоять досі, нехай і деякі з них частково зруйновані. Міцність і надійність, довговічність бетону роблять його незамінним матеріалом для різного виду робіт і сьогодні.
Бетон являє собою вид будівельного матеріалу штучного походження, який отримують шляхом змішування в певних пропорціях різних компонентів.
Основу бетону складають цемент в якості в’яжучого, пісок і щебінь/гравій, які виступають в ролі наповнювачів, а також вода, яка потрібна для замішування суміші і запуску реакції гідратації. Також до складу бетону можуть вводитися різні добавки, що поліпшують або змінюють певні властивості матеріалу.
Цемент отримують шляхом тонкого помелу гіпсу і клінкеру. Клінкер є продуктом рівномірного випалу при високій температурі до стану спікання сировинної однорідної маси, яка складається з глини (з переважанням силікатів кальцію), вапняку. Сам цемент, як і вироблений на його основі бетон, може відповідати різним маркам по міцності, здатності витримувати навантаження, вплив температур і т. д.
За сферою застосування бетон буває простим і спеціальним, який передбачає посилення певних якостей (морозостійкість, жаростійкість, теплоізоляція). У деяких випадках в якості в’яжучого використовують не цемент, а інші складові (так бетони ділять на гіпсові, керамзитові, силікатні і т.д.). Різними можуть бути і наповнювач (на базі щебеню, гравію і т. д.), структура матеріалу, його щільність, особливості твердіння і т. д.
Походження бетону
Дати однозначну відповідь на питання про те, коли з’явився бетон, важко. Як і інші будівельні матеріали, шлях розвитку бетонна суміш пройшла досить довгий. Так, під час розкопок на березі Дунаю учасники археологічної експедиції знайшли залишки житла 5000-річної давності з підлогами товщиною 25 сантиметрів з доісторичного бетону: в’язким в розчині виступала червона глина, а ось армував конструкцію дрібний річковий пісок.
Окремі приклади ефективного зв’язування дрібних / великих каменів різними розчинами відомі ще з часів єгиптян, фінікійців, вавилонян, карфагенян. Найдавніше використання бетону датується 1950 р.До н. е. – саме до цього часу відноситься матеріал, знайдений у могилі Тебеса (Теве) в Єгипті. Задовго до нашої ери бетон застосовувався в будівництві монолітного зводу піраміди Німа, галерей єгипетського лабіринту (3600 л.до н. е.).
Єгиптяни в якості в’яжучого застосовували вапно і гіпс. А 25 років тому світ був здивований повідомленням професора-хіміка зі Швейцарії Джозефа Давидовіца про те, що піраміда Хеопса була зроблена з блоків геополімерного бетону. У масі одного з вапнякових блоків професор знайшов людське волосся і потрапити туди він міг тільки при замішуванні розчину.
Вчений шукав далі і знайшов на стіні напис періоду III династії. Коли ієрогліфи розшифрували, відшукали рецепт приготування стародавнього варіанту бетону і саме до цього періоду можна віднести Походження бетону. В процесі незалежних досліджень виявилося, що підстава Великих пірамід зроблено з природних вапняків, а ось верхні ряди створені з бетону, зробленого на базі крихти пісковика, пальмової золи, соди з нільської води.
Дуже багато написано про будівлі періоду Римської імперії, зведених із застосуванням «бетону» в якості головного конструкційного матеріалу. Дослідники вважають, що вперше почали застосовувати справжні цементні Сполучні (не вапно, як у випадку з древніми спорудам) в Південній Італії в II ст. До н. е.
Багато хто приписує римлянам саме винахід цементу, так як навіть деякі назви запозичені звідси. Так, особливий вид вулканічного попелу під назвою «пуццолан» використовували вперше недалеко від міста Поццуолі в затоці Неаполя, його ж широко застосовували в цементі. Від міста пішла назва самого виду в’яжучого, яке сьогодні називають пуццолановим цементом.
У будівництві порту Aemelia (великої споруди, датованої 193 р.До н. е.) використовували пуццолан з метою ефективного зв’язування каменів разом для отримання бетону. Це попіл незвичайного типу, який запускає хімічну реакцію з водою і вапном, а потім зміцнюється в тверду масу (за властивостями схожу зі скелею), яка не боїться навіть занурення в воду. Цей цемент римляни застосовували для будівництва доків, мостів, водопроводів, зливових стоків, будівель.
Римський бетон
Римський бетон укладали шарами у форматі суміші, з якою працювали вручну. Зазвичай бетоном заливали камені різного розміру, обкладаючи його глиняними каменями по обидва боки (якщо це нижня частина будівлі). Стіни ж створювали з бетону і каменів, які виступали в якості форми для розчину. Ці цеглини мали не стільки конструктивне значення, скільки застосовувалися з метою полегшення процесу будівництва, а також у вигляді елементів декору.
Даний тип конструкції уможливив все той же матеріал «пуццолан», який часто застосовували в Римі, районі навколо Неаполя, але ніколи в північній частині країни або інших регіонах Римської імперії.
Безліч громадських будівель, в тому числі модні резиденції в Римі і всім відомий Пантеон, були виконані з бетонних цеглин, використовуваних в зведенні склепінь і стін. Купол Пантеону, який був зведений в II ст.н. е., до сих пір вважається одним з найяскравіших будівельних шедеврів всіх часів.
Неймовірно складна конструкція з великим числом зменшують масу пустот і ніш, а також невеликими склепінчастими стелями. У будівельників Пантеону було достатньо знань, щоб застосовувати важкі елементи на рівні землі, зменшувати щільність конструкції в стінах вище, а в самому куполі знизити навантаження до значення, яке дозволяє стояти Пантеону і сьогодні без руйнувань.
Великий проліт Пантеону величиною в 142 фути затьмарив своєю пишністю невеликі попередні прольоти, створивши яскравий і незвичайний ефект, який можна вважати справжньою архітектурною революцією тих часів, особливо з точки зору сприйняття всього внутрішнього простору.
Швидше за все, через недоступність і відсутність пуццолана в світі даний вид бетону не застосовували в інших місцях і основним будівельним матеріалом була камені-цегляна кладка. Більшість значних будівель в світі протягом багатьох століть будували саме із застосуванням даного методу.
У 18 ст.у Франції використовували ще один тип бетону: тут стіни з покритого штукатуркою щебеню робили у вигляді кам’яної кладки, яка в ті часи вважалася модною. Так, Муляр з Ліона Франсуа Куантеро перебував у пошуках економного методу створення вогнетривких стін із застосуванням цементного розчину, що поєднується з давньою глинобитною технікою або «спресованою землею».
Техніка глинобитна передбачає застосування деревної опалубки, яку заповнювали сумішшю глини з землею або соломою з подальшою трамбуванням. Але потім процес трамбування став неактуальним через застосування сильних і нових цементів. У 1824 році британський Муляр Джозеф Аспдін запатентував покращений цемент, якому дав назву Портлендського через схожість з природним каменем, що видобувається на сусідньому острові Портленд.
Прийнято вважати, що саме Аспдін першим використовував високі температури з метою нагрівання глинозему, а також кварцових матеріалів до точки склування, що призводило до сплавлення матеріалів. Таким же способом цемент роблять і сьогодні. У 19 ст.бетон застосовували в Європі для будівництва будівель, найчастіше промислових, так як цей матеріал був міцним, недорогим, що дозволяє прискорити процес зведення.
Використання армування
Відносно відповіді на питання про те, хто винайшов бетон і сам принцип армування, існує безліч розбіжностей. Більшість дослідників сходяться на тому, що першим успішним прикладом зміцнення бетонного моноліту була робота великого землевласника з півдня Франції пана Ламбо.
На початку 1850-х років під час будівництва кількох гребних човнів Жан-Луї Ламбо зміцнив їх дротяною сіткою та залізними прутами. Він побачив, що винахід дало результат і захотів використовувати матеріал в різних сферах будівництва. З цією метою Жан-Луї подав заявку в 1856 році на патент у Бельгії та Франції, описуючи бетон.
Опис звучало так: це покращений будівельний матеріал, який можна застосовувати замість деревини в архітектурних і військово-морських спорудах, а також для реалізації різних побутових цілей, де дуже важливо уникати вогкості.
Вже в 1856 році штукатур Вільям Б.Вільямсон побудував невеликий котедж на два поверхи, зміцнивши бетонну підлогу і покрівлю залізними прутами і дротяним тросом. Він отримав британський патент на армований бетон і встиг придумати, побудувати кілька подібних конструкцій, виступивши в ролі прабатька перших будівель із залізобетону.
У 1867 році французький садівник Джозеф Моньє отримав патент на зміцнення садових ванн, потім він зміг оформити патент на посилені балки, палі, які застосовуються для виконання огорожі для залізних і автомобільних доріг.
Потім стало доведено, що Моньє зумів сам винайти спосіб зміцнення бетону, так як ніколи не знав, яким чином Вілкінсон робив своє армування для посилення.
Армування підлоги
Вперше широко застосовувати портландцемент в будівництві будівель почали під керівництвом французького будівельника на ім’я Франсуа Куанье. Він взявся за будівництво кількох великих бетонних будинків у Франції та Великобританії протягом 1850-1880 років. У цих будинках вперше застосовували залізні стрижні при заливці підлоги для виключення ризику роз’їжджання стін. Пізніше Франсуа використовував арматуру в якості згинаються елементів різних конструкцій.
Першим етапом застосування залізобетону в будівництві стало зведення конструкції американським інженером-механіком на ім’я Вільям Е. Уорд. Було це в 1871-1875 роках. Побудований тоді будинок стоїть досі, його можна знайти в Порт-Честері (що в штаті Нью-Йорк). Будівля стала відомою завдяки старанності та уважності, з якими пан Уорд вів усі свої справи, акуратно досліджуючи та ретельно документуючи кожен крок.
Вільям хотів звести надійний і безпечний будинок, так як його дружина сильно боялася вогню. Виконання проектування та дизайну було доручено архітектору Роберту Муку, який взявся за роботу в 1870 році. Ця будівля повинна була за зовнішнім виглядом нагадувати кам’яну кладку, стати соціально прийнятним рішенням багатьох завдань.
Всі технічні та будівельні питання Уорд вирішував самостійно, витрачаючи чимало часу на проведення навантажувальних випробувань, різних експериментів. Для позначення будівельної суміші використовувалося слово французького походження beton. У 1883 році Уорд виступив перед Американським товариством інженерів-механіків з доповіддю, який розповідав про комбінуванні бетону з залізними прутами.
Аудиторія, при цьому, була не дуже уважна, так як більше зацікавилася унікальними системами опалення та водопостачання, ніж залізобетоном, погано розуміючи всю важливість відкриття і розробок.
У 1879 році німецький будівельник Г.А. Вайс придбав права на патент на систему Моньє, почавши застосовувати залізобетонні конструкції в Австрії та Німеччині, де їх рекламували під назвою «Система Вайс-Моньє». Багато будівель були згодом побудовані також і у Франції.
Монолітна рамна конструкція
В кінці 19 століття технологія створення каркасних залізобетонних конструкцій розвивалася паралельно. У Німеччині та Австрії працював Г.А. Вайс, в США Ернест л. Ренсом, у Франції Франсуа Еннібек. Наприкінці 1870-х років Л.Ренсом став керуючим успішної компанії, що займається виробництвом бетонних блоків з каменю штучного походження в Сан-Франциско.
Саме тут вперше використовували армування в 1877 році і в 1884 році система була запатентована. Дана система передбачала наявність в конструкції кручених квадратних прутів, які покликані були збільшувати зчеплення між арматурою і бетоном. Найбільша робота тих часів-Леланд Стенфорд (розташований в Стенфордському університеті музей) — це перша будівля, в якому застосовували технологію непокритого зовні бетонного наповнювача.
Також Ренсом був відповідальний за кілька виробничих будівель в Нью-Джерсі (штат Пенсільванія) – так, в 1903-1904 роках побудували механічний цех Келлі і Джонса (США, місто Грінсбург). Система Ренсома була використана при будівництві будівлі Інгалса в Цинциннаті в 1904 році. Це був перший бетонний хмарочос на 16 поверхів (висота 210 футів), який розробила фірма Елзнер і Хендерсон.
Тим часом Муляр Франсуа Еннібек з іншого боку Атлантики зарекомендував себе як успішний підрядник у Парижі, де отримав патенти в Бельгії та Франції на систему будівництва Еннібека і почав створювати свої представництва в більшості великих міст. Франсуа розвивав новий спосіб за допомогою проведення конференцій, створення стандартів в межах своєї мережі компаній. Велика частина його будівель належала до числа промислових.
Коли компанія Еннібека переживала підйом, він створював в рік близько півтра тисячі контрактів і таким чином сприяв швидкому зростанню кількості залізобетонних конструкцій по всій Європі.
Бетонні куполи та склепіння
Завдяки появі залізобетону стало можливим будувати будівлі нового типу-з тонкими стінами. І в 1930 році блискучий іспанський інженер Едуардо Торроха створив невисокий купол товщиною в 3.5 і шириною в 150 футів для ринку в Альхесірасі. Для розтяжки він застосовував сталеві троси. Крім того, Торроха виступив автором елегантної консольної даху стадіону, розташованого в Мадридському іподромі, що була створена в 1935 році.
Справжнім майстром панельних конструкцій став математик, архітектор і інженер Фелікс Кандела. По більшій мірі практикував він в Мехіко: створив лабораторію космічних випромінювань для університету Мехіко, з 5/8-дюймової по товщині дахом. Параболоїдна форма склепіння стала справжнім товарним знаком архітектора, свого часу він зумів скористатися дешевою робочою силою, тому створив чимало церков і заводів навколо Мехіко з тією ж формою конструкції.
Найяскравішою і найвідомішою спорудою кандели стала будівля ресторану в Хочимілко, який був побудований в 1958 році і включив шість параболоїдних склепінь однакової конструкції.
Подальше використання бетону в сучасній архітектурі
Одним з прославилися архітекторів, що працюють з бетоном, став Ле Корбюзьє. Він сильно розходився в думках з роботодавцями, відмовляючись застосовувати класичну дизайнерську базу в проектуванні. Пізніше, ставши шанованим архітектором, Ле Корбюзьє повністю перейшов на Залізобетон.
Найзнаменитіші роботи архітектора: Побудована з панелей плоскої конструкції Вілла Савой (1931 рік), багатоквартирні будинки на Пілотес в Марселі і Нанті (кінець 1940-х), зведена зі стінами з залитої бетоном кам’яної кладки Каплиця Рончамп (1957 рік), монастир Ла-Туретта (1959 рік), Урядовий комплекс на Чандігарх (Індія, 1961 рік).
Ле Корбюзьє активно захоплювався грою природного світла, використавши його в якості елемента дизайну, в чому йому допомагав бетон з усією різноманітністю його текстури і відтінку.
У 1919 році Міс ван дер Рое представив ідею конструктивної основи в будівлях великої висоти, виконаної з консольної плитою перекриття. Райт реалізував ідею в життя в вежах Джонсона (штат Вісконсін). Комплекс був визнаний кращим творінням Райта, де були втілені всі його ідеї.
Високоміцний бетон і висотні будівлі
Розвиток будівництва висотних будівель з бетону відбувалося повільно, але вірно, з моменту зведення в 1904 році будівлі Інгаллс. Гігантські і середні висотки 1930-х років все суцільно були створені із залізобетонних конструкцій. Спочатку була вежа Johnson Wax Tower, потім побудували вежі-близнюки в Чикаго комплексу Marina City.
Чиказька висотка побудована в 1962 році, саме вона символізувала початок застосування залізобетону в зведенні сучасних хмарочосів, ставши конкурентом будівлям на сталевій рамі. Так, побудована в Монреалі в 1964 році висотка досягла висоти в 624 фути.
Зміцнений бетон став ключем до нарощування висоти будівель поряд із збереженням розумної величини колон на нижніх поверхах. Так, хмарочос Shell Plaza, що був зведений в 1970 році в Х’юстоні, по висоті досяг 714 футів. Найбільшу концентрацію висоток зі зміцненого бетону породив Чикаго з його великими запасами високоякісної летючої золи (яка також сприяє підвищенню міцності цементної суміші).
Побудована в Торонто в 1989 році висотка досягла висоти в 907 футів, а в 1990 році дві Чиказькі вежі досягли 900 футів, що стало нечуваним для архітектури тих років. З того часу Залізобетон активно використовують в будівництві малих і великих будівель, матеріал актуальний в Москві і загублених селищах, в ремонті і масі інших видів робіт.
