Что тяжелее бетон или железо
Сталь против бетона
Для возведения зданий, мостов, опор высоковольтных линий и многих других сооружений используются сталь, дерево или бетон. Хотя древесина способна выдерживать высокую нагрузку (см. раздел 2.19), для оценки эффективности материалов целесообразнее сравнить сталь с бетоном. Руководствуясь концепцией MIPS, «стальная группа» в Вуппертальском институте, которую возглавляет Криста Лидтке, сравнила стальные и бетонные опоры, несущие магистральные провода сети напряжением 110 кВ. Их функцию можно определить как передачу электроэнергии напряжением 110 кВ в течение фиксированного периода времени, например 40 лет. С помощью такого определения была оценена оборачиваемость материалов или входящий поток на единицу выполненной работы — MIPS (Лидтке и др., 1993).
В соответствии с положениями упомянутой концепции сталь предпочтительнее по двум основным причинам.
q На бетонные опоры требуется в 3 раза больше материала, чем на стальные (соответственно 90 тонн и 36 тонн для типичной опоры в Центральной Европе). Сама бетонная опора весит около 45 тонн, а стальная — 6 тонн.
q Стальные опоры служат в 2 с лишним раза дольше, чем бетонные, правда, через каждые 10—20 лет, в зависимости от климатических условий, требуется профилактический ремонт.
Кроме того, стальные опоры можно делать из чугунного и стального лома, что тоже смещает баланс в пользу стали. Здесь достижим фактор 2,5.
В общем и целом переход от бетонных опор к стальным обеспечивает шестикратное увеличение эффективности использования материала (см. рис. 8).
Для линий электропередач, опор, мостов и т. д. традиционно использовалась только сталь. Но после Второй мировой войны бетон завоевал ведущие позиции даже в странах с развитой сталелитейной промышленностью. Историко-экономический анализ Лидтке и соавторов показывает, что причины вытеснения стали бетоном мало связаны с затратами. Скорее, это было данью моде или объяснялось субъективным выбором инженерных школ. Бетон считался более современным и более «изящным», но сооружения из него нуждаются в частом ремонте, и потому он может потерять свою привлекательность.
Преимущества стали еще более очевидны, если оптимизировать эффективность ее производства. Она по-прежнему производится в кислородных конвертерах, при этом вхолостую тратятся энергия, вода и материалы. Внедряемый метод электрической выплавки все еще далек от того, чтобы заменить старые способы, хотя он требует значительно меньшей массы материалов, чем оксигенизация. На тонну электростали — одна десятая часть топлива, одна восьмая воды, одна пятая воздуха и менее одной сороковой части других материалов по сравнению с традиционной конвертерной сталью. С другой стороны, на электрическую выплавку идет на 30% больше электроэнергии. Если при этом учитывать «экологический рюкзак», который обычно формируется в условиях Германии, то баланс уже не выглядит столь выигрышным для этого метода. И все же, «фактор четыре» в повышении эффективности материалов при переходе от кислородной стали к электростали можно обосновать.
Коммерческий интерес к конструкциям и сооружениям, имеющим большой срок службы, и, следовательно, интерес к стали можно подстегнуть, если опоры, мосты и другие подобные сооружения сдавать в аренду, а не продавать. При лизинге строительная фирма уделяла бы чрезвычайно большое внимание долговечности и малым эксплуатационным затратам. Действительно, быть может, уже настало идеальное время для введения концепции лизинга. У многих муниципальных корпораций в Германии и других странах высокая задолженность, и им пришлось бы занять деньги для строительства новых мостов. Договора о долгосрочной аренде станут привлекательными, когда их стоимость не будет превышать обременительных капитальных и эксплуатационных затрат на бетонные мосты — если, конечно, технологии углеродных волокон, которые подешевеют с развитием новых отраслей типа производства гиперавтомобилей, не выиграют эту гонку благодаря своей высокой коррозионной стойкости, усталостной прочности и другим возможностям уменьшения веса, растущим как снежный ком.
Что эффективнее: бетонные здания или металлические?
Нас часто ставят перед задачей сравнить здание из бетона со зданиями на основе металлического каркаса, поставляемыми ГК ААА ЕвроАнгар. При этом заказчик в 90% случаев ставит вопрос следующим образом: посчитайте мне стоимость металла на здание такими-то размерами, и я сравню ее со стоимостью бетонного здания.
Почему это ошибка? Как и что, в действительности, необходимо сравнивать? На эти вопросы мы постарались ответить ниже.
Почему нельзя просто сравнить стоимость бетона и стоимость металла? Давайте пофантазируем, как это сделать?
Из курсов строительных материалов известно, что есть некий абстрактный показатель легкости (тяжести) конструкций, где за этот показатель принимают отношение плотности материала к его прочности. Для металлических конструкций, изготовленных из стали марки С345 данный показатель равен 2,453 (7850 кг/куб.м / 3200 кг/кв.см = 2,453), а для наиболее распространенной марки бетона В25 он составляет 13,228 (2500 кг/куб.м / 189 кг/кв.см = 13,228). Получается, что сталь лучше бетона в 5,4 раза? (13,228/2,453 = 5,4). Но, что будет если посчитать деньги, стоимость 1 тонны металла в деле (т. е. с учетом изготовления, доставки, монтажа) не должна превышать стоимость тонны бетона больше чем в 5,4 раза, в противном случае выгодней строить из бетона. Стоимость куба бетона по состоянию на 1 апреля 2020 года составляет 12 500 рублей за куб, или 5000 руб./тонна (12 500 руб./куб.м /2,5 тн/куб.м = 5 000 руб./тн). Выходит, конкурентная стоимость металла не должна быть выше 27 000 руб. за тонну (5 000 * 5,4 = 27 000 руб./тн). По данным на 1 апреля 2020 года стоимость металла в деле составляет порядка 135 000 руб/тн. Казалось бы вопрос закрыт, строим из бетона? Не спешите делать вывод. Дело в том, что у бетона есть обратная сторона — прочность бетона при работе на растяжение на порядок ниже, чем при сжатии. Тот же коэффициент легкости, хотя для бетона скорее тяжести, марки В25 равен 153,37 (2 500 кг/кв.м / 16,3 кг/кв.см = 153,37), то есть бетон в 62,52 раза тяжелее стали. Для того, чтобы бетонные конструкции были можно было хотя бы сравнению с металлическими, в несущих конструкциях должна соблюдаться следующая пропорция: >75% объема бетона должно работать на сжатие, и
Что лучше: дерево, железо, цемент или бетон?
Много воды утекло с той поры, как появились первые постройки из бетона. И вода, всегда бывшая самым опасным врагом камня, унесла с собой бесчисленное количество сооружений, построенных руками человека. Но нет худа без добра: неприятности, причиненные водой, пожалуй, больше, чем что-либо другое, научили людей многому.
Самый главный урок, который получили люди, заключался в том, что они хорошо поняли: от природы милости не дождешься. Поняв это, люди стали покорять ее. Борьба была очень долгой и трудной. И появление бетона, который люди научились делать еще в царстве Урарту и в древнем Китае, было одной из великих побед, одержанных человеком над природой.
Деревянные постройки боятся огня и воды, а бетонные — нет.
Если бы здания стали сооружать из железа, то они оказались бы в сто двадцать раз тяжелее бетонных.
Даже корабли делали из бетона.
Но почему бетону оказывают особый почет, называя его великой победой человека? Ведь сколько за эти тысячелетия люди узнали секретов производства новых материалов, а предпочтение отдается всё-таки бетону?
Потому, что именно бетон, пройдя за это время, как говорят, огонь и воду, оказался самым долговечным и больше, чем какой-нибудь другой материал, оправдал возлагавшиеся на него надежды.
Бетон не горит в огне. А дерево сгорает, да еще как быстро! И в этом у бетона неоспоримое преимущество перед деревом.
Мне могут сказать: «Но ведь и железо, и сталь, и многие другие металлы тоже не боятся огня». Оговоримся сразу: не боятся, однако вовсе не всякого. При высокой температуре металлы начинают плавиться. К тому же железо и сталь, а тем более медь или какой-нибудь другой цветной металл,— очень дорогие материалы. А бетон — дешевый.
Дерево не меньше огня боится воды. Да и для металлов вода вовсе не безвредна: они покрываются ржавчиной и быстро начинают разрушаться. А бетону вода теперь не страшна.
Из бетона строят мосты…
. И трибуны возводят из бетона.
Бетону, так же как и глине, можно легко придать любую форму.
К тому же нельзя забывать и еще одного очень важного обстоятельства: железо, да и другие металлы, легко отдают тепло. А это значит, что если бы дома стали строить из железа, стены их пришлось бы делать в сорок раз толще бетонных. Но так как вес бруска железа и без того втрое больше веса бетонного бруска такой же толщины, то железный дом вышел бы в сто двадцать раз тяжелее бетонного! Можно сказать с полной уверенностью, что такие постройки вряд ли долго удержались бы даже на хорошем грунте.
Наконец, даже в нашей стране с ее огромными лесными богатствами имеется не мало мест, где нет деревьев, годных для строительства. И еще больше таких мест, где не ведется добыча металлов. Сырье же, из которого можно приготовить бетон, есть почти всюду. Вот и выходит, что лучшего материала для строительства, чем бетон, нет.
Из бетона сооружают гигантские плотины гидроэлектростанций. Эти плотины перегораживают самые бурные и полноводные реки, заставляя их воду приводить в движение могучие турбины. Устои самых длинных в мире мостов сделаны также из бетона. И как бы сильно ни было течение реки, оно даже весной, когда плывут большие льдины, беспомощно разбивается об острые углы бетонных устоев.
Тоннели московского и ленинградского метрополитенов тоже теперь стали одевать В бетон. На него можно положиться. Он надежно охраняет от обвалов и затопления подземными водами.
Из бетона сделаны стены высотных зданий в Москве, а также многих домов в других городах нашей страны. И еще: могучие корпуса заводов, шлюзы каналов, автомобильные дороги, трибуны стадионов, опорные мачты электропередач на железных дорогах, мастерские МТС, силосные ямы,— да разве можно перечесть всё, что сооружено из бетона!
Прочность и долговечность, конечно, весьма важные качества бетона. Подумайте сами: сделанный из него небольшой кубик, каждая сторона которого имеет всего по пяти сантиметров, может выдержать нагрузку в десять, а то и в пятнадцать тонн. А ведь столько весят двести пятьдесят человек, если б всех их можно было уместить на таком маленьком кубике! Однако достоинства бетона не только в прочности.
Одно из самых замечательных его преимуществ перед другими материалами состоит в том, что из него, так же как из глиняного или цементного теста, можно делать всё, что угодно.
Бетон можно огромными ковшами наливать в простенок между вбитыми в землю в два ряда деревянными досками. Когда же он затвердеет и доски уберут, нашим глазам предстанет выросшая с волшебной быстротой ровная каменная стена. А сколько труда надо было бы положить, если бы такую же стену возводили из обыкновенного кирпича или из естественного камня, который надо сначала добыть, потом отделать, а затем доставить к месту строительства!
Или вот другой пример. При сооружении Куйбышевского гидроузла за день укладывали двадцать тысяч кубометров бетона. А за год одна плотина «съедала» столько бетона, сколько пошло на строительство всего Панамского канала в течение двадцати лет, пока его сооружали. Десятилетия тяжелого, изнурительного труда надо было бы затратить, прежде чем на берегу великой реки выросла гигантская электростанция, если бы вместо бетона строителям пришлось применять какой-нибудь другой материал. Бетон во много раз ускоряет и облегчает труд человека, — вся тяжесть работы ложится на плечи машин. А ими наша страна снабдила строителей в достатке.
Даже весной, когда по реке плывут большие льдины, они разбиваются об острые углы бетонных устоев мостов.
Вот какую нагрузку может выдержать маленький бетонный кубик.
Однако вот еще вопрос: зачем же нужен бетон, когда есть цемент? Ведь из цементного порошка можно приготовлять каменный клей. Затвердев же, он сам может превратиться в камень.
Но нет, с одним цементом далеко не уедешь. Во-первых, он всё еще довольно дорог. А во-вторых, сколько же понадобилось бы цемента, если бы искусственный камень делали из него одного! Цемент не может заменить бетон так же, как бетон не заменит цемент.
Плотность и удельный (объемный) вес бетона: классификация, как увеличить показатели
Строители используют бетонные смеси при ремонтных, реконструкционных работах и возведении разных объектов. Существует немало технологий, применяемых в производстве бетона. Этим объясняется ассортимент материалов, представленных на современном рынке. Выбор продукции зависит от монтажа, дальнейших условий эксплуатации бетонного изделия. В зависимости от этих особенностей определяется и плотность бетона, необходимая для определенных строительных работ.
При приготовлении бетонной смеси используют воду, однако в некоторых случаях ее заменяют другими компонентами. К примеру, так изготавливают асфальтобетон. Таким образом, материал становится более прочным и плотным. Для улучшения характеристик асфальтобетона применяются специальные добавки. Изменение соотношения компонентов способствует увеличению качества стройматериала.
Классификация бетона по плотности
Плотность бетона (ГОСТ 12730.1-78) – масса/объем, измеряется в кг/м3.
Бетонам свойственны различные классификации, основной из них считается определение плотности. Бетоны обладают разной плотностью. Их классификация учитывает заполнитель смеси, пористость, вес. Применение того или иного вида зависит от назначения строительного объекта. Специалисты различают пять типов материалов:
Электронный измеритель плотности бетона.
Особо легкие. К данному виду принято относить пено-, газобетоны. Зачастую необходимость в таком бетоне возникает при теплоизоляции либо кладке стен домов, перекрытий. В таких бетонах плотность составляет менее 5000 кг/м3. Для заполнения бетонной смеси чаще применяется перлит.
Вернуться к оглавлению
От чего зависит?
Плотность строительного материала зависит от наполнителя и использование дополнительных инструментов, таких как вибратор.
Среди факторов, влияющих на плотность на сжатие, выделяют такие:
Таблица соотношений класса материала по плотности:
Марки стройматериалов
Без достаточного количества заполнителей цемент даст такую усадку, что бетонное изделие покроется трещинами.
У каждого вида бетона есть марка, которая помогает определить характеристики. Она обозначается так: М и несколько цифр, в зависимости от прочности материала (например, 300). Есть еще одна маркировка – В и несколько цифр. Они обозначают максимальную степень давления, которую способна выдержать конкретная марка. М200 – самая популярная марка, относится к особо тяжелым материалам. В состав входит песок, гравий, цементная смесь. Сочетание этих компонентов помогает добиться оптимального качества и плотности. При помощи бетона изготавливают покрытия, балки, плиты для дорог, бордюры, закладывают прочный фундамент для зданий, возводят небольшие строения.
Эта марка стройматериала обладает всеми необходимыми характеристиками. При этом стройматериал можно приобрести по приемлемым ценам. Он подойдет для строительных работ в помещении и под открытым небом, выдерживает сильное давление, температурные режимы. Вышеперечисленные достоинства бетонных смесей делают марку универсальной для использования в странах с умеренным климатом. Специалисты не рекомендуют применять такой вид бетона в странах с более суровыми климатическими условиями. Резкая смена температуры способна привести к возникновению эрозии и трещин.
Вернуться к оглавлению
Характеристика и влияние на качества раствора
Измеряется этот показатель для бетонной смеси в кг/м3 (куб. м) и обозначается буквой D. Не следует путать марку (М) и класс (В) бетона, определяющей которых является прочность на сжатие, измеряемая в кг/см2, с плотностью. Каждому стандартному классу раствора соответствует свой уровень плотности.
Плотность бетона или удельный вес – это соотношение массы материала к его объему. Такая величина всегда меньше или равна 100%. Именно от нее больше всего зависит качество марки готового раствора, поэтому она всегда указывается в инструкции к покупаемой смеси.
Удельный вес связан с прочностью. Чем он выше, тем выше прочность стройматериала.
Пористость
Противоположностью и обратным значением к плотности, которое тоже характеризует прочность бетона, является пористость.
Любая смесь содержит в себе пустоты, они могут быть большими или микроскопическими, меняется только их объем. Технически этот параметр определяется как совокупность пор объекта к его объему. Если сложить показатели плотности и пористости – получим 100% прочности раствора.
Поры возникают в процессе испарения остатков влаги при замесе раствора. Поэтому рекомендуют ознакомиться с разницей характеристик сухих компонентов и замешанных. Это достаточно сложно сделать: для этого нужно хорошо выучить пропорции всех составляющих — то есть наполнителей (щебня, гравия, песка), воды, цемента, добавок.
Основное, что надо знать о пористости и плотности, замешивая раствор − чем больше влаги, тем состав пористее, а изделие менее плотное. Опытные строители хорошо знают пропорции влаги и наполнителей для соответствующих марок материала, они определены практикой и экспериментальным путем.
Как увеличить плотность
Регулировать этот параметр можно, зная следующие особенности:
Как изменить плотность материала?
Иногда специалисты вынуждены уменьшать плотность стройматериала. Чаще всего, это нужно, чтобы уменьшить вес изделий. Этого можно достичь при помощи:
Пенополистирол – заполнитель легких бетонов.
Необходимо помнить, что низкая плотность снижает прочность бетонных изделий. Поэтому перед проведением строительных работ важно учитывать все особенности бетона. В некоторых случаях строителям приходится увеличивать плотность цементного раствора. Такого эффекта можно достичь разными методами:
Существует и ряд других методов, но такие способы чаще всего применяются в промышленности. Кроме того, они обладают особой спецификой применения. К примеру, в некоторых случаях специалисты прибегают к вакуумированию. Данный метод помогает удалить лишнюю жидкость из цементного раствора. Время, затраченное на вакуумирование, будет зависеть от толщины конструкции, количества используемого цемента, температуры и иных факторов.
Как повлиять на объемный вес?
Желаемый вес бетонного раствора на выходе достигается изменением его рецептуры или пропорций компонентов.
Прибавлению веса на 1м3 способствует применение в производстве строительного материала безусадочного или расширяющегося цемента, а также добавление жидкого стекла.
Снижение веса происходит при вводе в состав большего количества воды или легких пористых заполнителей — перлита, керамзита.
Компоненты и технология замешивания
Максимально плотный и, соответственно, прочный бетон создается с помощью тщательно подобранного наполнителя, так как он уменьшает пористость. Основной характеристикой его является фракционность. Плотность смеси имеет прямую зависимость от параметров всех ее составляющих.
Замешивание
Консистенция бетона должна быть похожа на очень густую однородную сметану. В обычных условиях плотность бетонной смеси проверяют следующим способом. Смесь оставляют на некоторое время, чтобы в ней образовались пузырьки воздуха.
Затем набирают раствор лопатой, встряхивают и переворачивают. Если она сразу падает, нужно добавить немного воды или сухого мелкого наполнителя.
Наполнитель
Более всего на плотность бетона влияет наполнитель. Это закономерно, его объем в растворе наиболее значительный. При использовании легких (пористых) наполнителей плотность становится низкой, объемный вес также уменьшается.
Щебень или гравий рекомендуют брать плотностью в 2-3 раза выше, чем прочность расчетной марки бетонной смеси. Это обуславливается тем, что проектное значение (после 28 дней) бетона всегда ниже, чем реальные качества, которые он набирает через полгода или больше, а щебень не имеет свойства со временем набирать в плотности. Таким образом, эти показатели уравновешиваются.
Крупный наполнитель желательно использовать средней фракции − мелкая фракция уменьшает количество пор.
Технология укладки
Способ укладки и обработки материала при его использовании имеет значение. Строители знают, как важно утрамбовать раствор и выпустить скопившиеся внутри пузырьки воздуха. Чем плотнее (жестче) марка бетона, тем раствор прочнее, но требует более тщательного уплотнения и трамбовки.
Для указанных целей применяют:
Трамбовать рекомендуют как минимум до появления на поверхности смеси характерного молочка. В результате обработки вытесняется избыточная влага и воздух, заливка хорошо уплотняется, она становится надежной и прочной.
Еще одним методом избавления раствора от воздуха является вакуумирование. Это новаторский и современный способ. Его применяют для увеличения плотности асфальтобетона при укладке дорожного полотна. Вакуумирование применяют для марок раствора на основе силикатных и шлакосиликатных цементов.
Цементы
Для увеличения плотности тяжелого бетона в кг/м3 часто применяют несколько видов особых цементов. Наиболее распространены такие:
Следует учесть что, чем плотнее раствор, тем он тяжелее и его сложнее укладывать. Проблемы с укладкой в этих случаях решаются применением пластификаторов. Они также улучшают и другие свойства. Есть добавки, способствующие вытеснению воздуха и уплотнению бетона.
Недостаток цемента уменьшает плотность бетона. Его всегда берут на 2-3 класса выше, чем заданный класс бетона. Например, для бетонной смеси М150 нужен цемент М400.
Расчет и определение
Удельная плотность сухого цемента в промышленных условиях определяется прибором Ле-Шателье. Но для оценки прочности будущего бетона или другого раствора нужно знать значение насыпной плотности, т.к. от него зависит, насколько пористой получится конструкция. В строительных расчетах чаще всего применяются усредненные показатели. Для свежего материала используют значения 1200-1300 кг/м³, слежавшегося — 1500-1600 кг/м³.
Но иногда для замешивания прочного раствора необходимо знать точное значение этого параметра. Сделать правильный расчет насыпной плотности можно и самостоятельно.
Для этого потребуется:
мерная емкость объемом 1 л; воронка; весы.
Сначала следует взвесить пустую емкость. Обозначают эту массу как M1. Затем в мерную посуду через воронку аккуратно засыпают цемент, убирают его излишки и взвешивают ее снова. При этом емкость с содержимым не встряхивают, материал нельзя перемешивать или утрамбовывать.
Массу заполненного сосуда обозначают как M2. Искомую величину определяют по формуле: P = (M1 — M2)/V. Значение массы при подсчетах должно быть выражено в килограммах, объема — кубических метрах.
Для получения наиболее корректных данных измерения и вычисления проводят дважды, а окончательный результат выводят как среднеарифметическую величину. Использование этого способа расчета насыпной плотности дает результат с погрешностью до 0,01 кг/м³, что позволяет достичь требуемой прочности возводимой конструкции и избежать существенных ошибок при строительстве.