Бетон является ведущим материалом в строительстве и, по мнению учёных, останется таковым ещё как минимум 40-60 лет. При этом технология производства бетона за последние полвека мало изменилась. Хотя процесс его изготовления является трудоёмким, применяемое оборудование конструктивно достаточно простое и недорогое. Это позволяет наладить выпуск популярного строительного материала без больших затрат.
Историческая справка
Технология производства бетона была известна ещё древним шумерам, широко применявшим его 4000-5000 лет назад. Позже технологию переняли вавилоняне, египтяне и прочие цивилизации. Недавно в Сербии обнаружили постройку возрастом 7600 лет, пол которой залит 25-сантиметровым слоем бетона на основе известняка. Древний стройматериал, безусловно, отличается от современного, но принцип остаётся прежним: вяжущий материал посредством воздействия воды скрепляет балластовый наполнитель (песок, камни, солому). После высыхания смесь становится очень прочной.
Спустя тысячелетия древние римляне усовершенствовали технологию. Они обнаружили, что в обилии содержащийся на Апеннинах вулканический материал (туф, пемза, пепел) в сочетании с водой, песком, щебнем после трамбовки и высыхания становится крепким, как камень. В Римской империи из бетона массово строились общественные заведения, акведуки, канализации, частные дома. До сих пор крупнейшим сооружением, купол которого целиком выполнен из неармированного бетона, остаётся Пантеон, возведённый римлянами много веков назад. В определённой степени Великая Китайская стена также напоминает бетонную конструкцию.
После падения Рима, в эпоху Средневековья, технология была утрачена. Только в XVII-XVIII веках начались попытки возродить забытые секреты древних строителей. Джеймс Паркер в 1796 году запатентовал рецепт изготовления «римского цемента» на основе пуццоланов. Параллельно учёные искали альтернативные связующие вещества, которые способны заменить вулканические материалы.
Важный вклад внёс французский инженер-мостостроитель Луи Вика. Он обнаружил, что при смеси известняка и глины получается эффективное связующее вещество. В 1828 году он соорудил мост с применением цемента, а в 1840 году представил общественности доработанный материал – портландцемент, который массово применяется до сих пор.
Описание
Бетон – распространённый искусственный строительный материал, при застывании приобретающий каменнообразную форму. Известны различные способы производства бетона, но большинство из них сводится к смешиванию в определённых пропорциях связующего вещества (как правило, цемента), заполнителя (песка, гравия, бута и т. д.) и воды. Для улучшения качества смеси могут использоваться различные добавки: гидрофобизаторы, пластификаторы и другие. При изготовлении асфальтобетона вместо воды применяют битум.
Состав
Хотя компонентов бетона не так много, в мире существуют тысячи торговых марок, отличающихся процентным соотношением материалов и используемыми добавками. Классический состав бетона выглядит следующим образом:
- цемент;
- песок;
- заполнитель (гравий, щебень, галька, керамзит и т. д.);
- вода;
- добавки (необязательно).
Процентное соотношение этих компонентов зависит от требуемой марки бетона, характеристик цемента, коэффициента влажности песчано-гравийной смеси, свойств добавок. Рекомендуемые пропорции при применении цемента М500 представлены в таблице.
Марка бетона | Цемент, кг/частей | Песок, кг/частей | Щебень, кг/частей |
200 | 1 | 3,5 | 5,6 |
250 | 1 | 2,6 | 4,5 |
300 | 1 | 2,4 | 4,3 |
400 | 1 | 1,6 | 3,2 |
450 | 1 | 1,4 | 2,9 |
Важнейшим фактором является количество воды. Обычно оно составляет 0,5-1 часть, однако должно высчитываться исходя из влажности смеси, желаемой прочности, степени текучести, времени схватывания, применяемых добавок. Коэффициент водоцементного соотношения в идеале должен составлять 0,3-0,5. При избытке воды прочность готового цемента снижается.
Производство добавок в бетон
Одним из стратегических направлений развития технологии бетонов является применение добавок. Их в мире используются порядка 50 видов, при этом торговых марок – более 50 000. Каждое вещество (даже куриные яйца и мочевина) могут рассматриваться как добавки к бетонам и растворам. Чтобы улучшить состав бетона, учёные разрабатывают полифункциональные добавки, которые вызывают синергический эффект.
В конце XX века были изобретены и внедрены суперпластификаторы – многокомпонентные универсальные добавки, которые обладают пластифицирующими и водоредуцирующими свойствами. Это позволило строительству перейти на массовое применение высокоподвижных, литых бетонных смесей и высокопрочных бетонов с прочностью на сжатие до 80 МПа и до 4 МПа на растяжение.
Уплотнение бетонных смесей
Технология производства бетона в промышленных масштабах включает этап уплотнения бетонных смесей. Как правило, делается это посредством вибрации, во время которой заполняются микроскопические пустоты. Также достаточно распространенным является центробежный способ (безвибрационный) формирования железобетонных изделий, особенно при обработке бетона для изготовления безнапорных труб.
Виброуплотнение
Процесс производства бетона высокого качества, как правило, подразумевает использование в дальнейшем вибрационных установок. Наиболее широко распространённым видом вибрационного формирования является стендовое (станковое) виброуплотнение. В данном случае формы с бетонной смесью устанавливают на виброплощадку, которая подлежит колебаниям от вибрирующего механизма.
Для стендовой вибрации применяются виброплощадки различного вида, в этом заключаются технологические особенности метода. Их классифицируют по компоновке стола и вибрирующего органа, грузоподъёмности и основным параметрам вибрации. По компоновке различают:
- механизмы, имеющие один стол с расположенным снизу вибровозбудителем;
- виброплощадки блочного типа, состоящие из унифицированных блоков с одним вибровозбудителем, расположенным под столом одного из блоков.
Грузоподъёмность площадок определяется мощностью приводных двигателей. Наиболее распространены виброплощадки грузоподъемностью 3, 5, 7, 10 и 15 т, реже – 20 и 25 т. Грузоподъемность блочных механизмов находится в пределах 2-24 т.
Технология вибровакуумирования
Наиболее сложная технология производства бетона – вибровакуумирование смесей. Она характеризуется сочетанием периодического вакуумирования с вибрированием. Вибрации осуществляются для укладки и уплотнения бетонной смеси. В процессе вакуумирования вибрация включается на достаточно короткий срок для того, чтобы локализовать трения между частицами смеси, способствовать лучшему заполнению парогазового пространства.
Величина вакуумного разрежения составляет 75-80 % от абсолютного значения. В результате образуется градиент давления, под действием которого чрезмерная вода, воздух и паровоздушная смесь направляются из зон с атмосферным давлением в вакуум-источники и удаляются из бетона.
Вибропрессование применяется для формирования многих изделий, в частности для производства тротуарных плит и дорожных элементов, при изготовлении напорных железобетонных труб и других изделий из жёстких, в основном мелкозернистых смесей.
Метод центробежного уплотнения
Сущность центробежного формирования заключается в том, что при вращении форматора с равномерно распределённым слоем бетонной смеси возникает центробежное давление, под действием которого проходит сепарация частей твёрдой фазы по величине и их сближение, сопровождающееся вытеснением воды со взвешенными в ней диссоциированными ионами и высокодисперсными фракциями цемента.
Для устранения структурной и текстурной неоднородности, снижающей прочность бетона, предложен способ послойного уплотнения бетонной смеси. Благодаря этому способу формируется однородная текстура бетона по всему сечению стенки изделия. С целью повышения физико-механических свойств центрифугированного бетона применяется повторное центрифугирование после разрыхления уплотненной смеси.
Оборудование
Оборудование для производства бетона варьируется в широчайших пределах: от простейших ручных бетономешалок до промышленных многоуровневых комплексов. Для частного строительства удобно использовать небольшие механизированные (электрические, дизельные) бетономешалки. Их стоимость начинается от 5-6 тыс. рублей. Загрузка компонентов проводится вручную. Существенными недостатками являются сложность точной дозировки добавляемых материалов, отсутствие механизмов для уплотнения смеси, низкая производительность.
Если стоит цель организовать небольшое частное предприятие, то оптимальным вариантом станет мобильный завод по производству бетона. Оборудование для мини-завода стоит относительно недорого – от 400 тыс. рублей, что дешевле легкового автомобиля. При этом прибыльность предприятия ежемесячно может достигать 1 млн рублей.
Дороже стоят автоматизированные линии с мощной установкой смешивания компонентов, вибросистемой, конвейерной загрузкой материала в бетоновоз. При стоимости от 1,5 млн рублей они демонстрируют отличную производительность для обеспечения бетоном частных клиентов и небольших строительных фирм.
Промышленное производство
Особенности производства бетона на специализированных предприятиях заключаются в использовании мощного многоуровневого оборудования, вибрационных, вибровакуумных либо центробежных установок, различных присадок, пластификаторов. Здесь изготавливают не только бетон, но и конечные изделия из него – от тротуарной плитки, бордюров и канализационных колец до лестничных пролётов, сборных конструкций для панельного домостроения, элементов мостов и промышленных сооружений.
На крупных предприятиях количество и качество компонентов рассчитывается в заводских лабораториях до десятых долей процентов. Профессиональное оборудование позволяет использовать минимально допустимое количество воды, что значительно улучшает качество готового материала, а применение добавок увеличивает время схватывания и степень текучести бетона. Бетоносмесительные установки размешивают смесь до однородной массы с качеством, недостижимым для дешёвых бетономешалок.