Бетон? Цемент? Разбираемся, что есть что [Veritasium]
[музыка] Сейчас меня начнут заливать бетоном, и пока это происходит, я расскажу вам всё, что надо знать об этом материале. Сначала усвойте, в чём разница между цементом и бетоном. Их часто путают. Цемент – это своего рода клей, то, что создаёт структуру. О, чувствую, пошло. Ага, приятнее. Цемент с соответствующими добавками, щебнем, песком заливает меня надо сказать довольно быстро. Цемент – важнейший на планете материал, созданный человеком. Вода – это единственное, что мы используем в больших объёмах, чем цемент: 500 килограммов в год. Столько производится на каждых мужчину, жену и ребёнка на земле. 500 кубометров бетона, то есть два таких аквариума на каждого жителя планеты.
Многие не понимают, насколько важен бетон. Так что для наглядности сравним: в год производится определённое количество продукции из меди, из алюминия чуть больше, затем идут стекло, асфальт и известь, железо – во многом из-за стали, ещё больше производят из керамики и дерева. Но всё это не идёт ни в какое сравнение с объёмами вяжущих материалов, основа из которых цемент. Расходуется его столько же, сколько всех остальных материалов, вместе взятых. Несложно понять, почему бетон – это жидкий камень; им можно залить любую необходимую форму. Он крепкий, долговечный и недорогой.
Производить бетон так просто, что первые его варианты люди использовали тысячи лет назад. Главным компонентом примитивного цемента является, по сути, карбонат кальция. Если нагреть его до 1000°, выделится углекислый газ, и у вас останется оксид кальция, так называемая негашёная известь. Измельчаем, смешиваем с водой, и в ходе экзотермической реакции получается гидроксид кальция. Его можно залить в форму, где со временем он впитает углекислый газ из атмосферы, и мы снова получим карбонат кальция. А вода просто испарится. Такой цемент довольно неплох, особенно учитывая, что это самый ранний способ приготовления. Но у него есть недостатки. Во-первых, его нельзя заливать в слишком большие формы, потому что углекислый газ проникает не очень глубоко, и смесь не застывает.
А ещё такой метод не работает под водой, ведь там легко доступного углекислого газа нет вообще. Решение этих проблем нашли римляне: они придумали перед нагревом добавлять в известняк... Лан. Цемент стал гораздо крепче и долговечнее. Его использовали при строительстве Римского пантеона, у которого самый большой в мире бетонный купол без арматуры. Он стоит уже 2000 лет. Из бетона делали пирсы, опоры которых затвердевали в воде. Кое-что от них осталось по сей день.
Не ожидал, что он будет такой тяжёлый. На ноги уже ощутимо давит, даже не знаю, смогу ли сам выбраться. Зато знаю, что плотность бетона примерно в три раза выше плотности воды. Можете ногу поднять, чтобы посмотреть, будет ли он затягивать. Понял, попробую поднять ногу, посмотрим, сложно это или нет. Ногами я стою на дне, что меня устраивает. Не уверен, что смогу встать также. Ого, это как-то так. Попробую поднимать медленно. У меня получилось. В общем, пока что я вполне могу вылезти. Я опасаюсь, что из-за плотности бетона, когда меня зальёт по грудь, он начнёт сдавливать и станет тяжело дышать. Это как оказаться под завалом, когда засыпает на вдохе. Грудная клетка расширяется, потом сжимается при выдохе её сдавливает. Будет непросто, вы об этом подумали? Ну, теперь да, на всякий случай. Мы запаслись кислородом.
Я заранее потренировался вылезать из аквариума на случай, если что-то пойдёт не так. Как идёт? Нормально? Да, вполне отлично. Как же древнеримский бетон застывал под водой? Ещё и массивными блоками, внутрь которых никак не мог проникнуть? Есть мнение, что в те времена бетон был лучше современного. Так ли это? На долгие века римский метод был утерян, снова о нём узнали в X веке из книги, ранивший в швейцарском монастыре. С тех пор архитекторы, учёные, инженеры много экспериментировали с различными составами, пытаясь добиться наилучшего результата, своими прочностью, долговечностью и способностью застывать под водой.
Римский бетон оказался обязан всё тому же пуццолану, вулканической пыли. Почти спустя 2000 лет выяснилось, что если смешать известняк с глиной или сланцем, растолочь вместе и потом нагреть, эффект будет тот же. Дело в том, что в этих добавках диоксид кремния. Благодаря этому меняются свойства смеси, и, чтобы затвердить, ей не нужно высыхать. Более того, вода становится неотъемлемой частью затвердевшего цемента, то есть этот цемент лучше всего схватывается именно под водой. Это наша, так сказать, пропарочная камера. Образцы должны храниться при постоянной стопроцентной влажности, поэтому мы поместили их...
Когда поставщики бетона заливают смесь на стройплощадки, они оставляют образец, который позже можно испытать и выяснить, обладает ли он необходимой прочностью. По сути, мы получаем немного бетона, из которого делается каждый элемент: бетонные плиты, стены. Набираем его в тачку, отвозим на станцию контроля и отливаем вот такие цилиндры. Каждый день мы их ломаем, чтобы узнать, насколько они прочны. Вот эти мы проверяли сегодня. Прочность на 7 и 2 дня считается, что в этот момент прочность достигает пика. Мы назначаем дату, когда цилиндры надо будет поместить под пресс, и пишем её сверху.
На самом деле бетон прочнее и после. Образец помещают в гидравлический пресс, а затем увеличивают давление, пока он не треснет. Ну что, готовы? Начинаем! Да, идём по 30 фунтов на дюйм в секунду держать такой темп, да, если увеличить слишком резко, это уже другой тип нагрузки. Число посередине - это давление в фунтах на квадратный дюйм, а крупные цифры наверху - это сколько силы мы прикладываем в фунтах. До какого давления идём? 1007? До 10, даже до 10. То есть бетон прочная штука. Очень хорошо.
Ну да, если сдавить сильнее, больше 10.000 будет весело. Тут такое шоу, бывает, вся комната трясётся. А у нас стены из укрепленного бетона. Потрясающе, на первый взгляд вообще ничего не происходит при таком-то давлении. Цилиндр пока держится. Пока, да. О, пошло! Да, о, 11000, уже больше. Оди! Отлично. Ну как-то слабо, где взрыв, где осколки? Зря пришёл! Здорово! Да, неплохо. Это самый прочный бетон в мире. Ну, самый прочный, наверное, только где-то в лабораториях. Рекорд, насколько я знаю, больше 100000 фунтов на дюйм.
Буквально весь современный бетон изготавливают на базе цемента с составом, который придумали в 1840 годах. Это портланд. Вообще это название скорее маркетинговый ход, вроде должен напоминать очень ценный в строительстве камень, который добывали близ английского Портленда. Портланд цемент делали так: дробили известняк и смешивали его в определённой пропорции с глиной или сланцем, чтобы там были силикаты. Всё это перемалывают в мелкий порошок, помещают в камеру и нагревают до очень высокой температуры. В результате получались вот такие твёрдые камушки. Они называются клинкер.
Считается, что в момент изготовления цемента клинкер получался случайно, когда смесь из известняка грели слишком долго. Поскольку клинкер очень сложно растолочь, его просто отправляли в мусорку. Однако если постараться получше и всё-таки его измельчить, то цемент получится гораздо лучше, чем при любом другом известном составе. Поэтому портланд и стал так популярен. Он состоит из множества компонентов, но больше всего там трёх кальциевого силиката. Ощущение, как будто эта смесь держит на плаву. Вроде как плаваю в бетоне. Это довольно неожиданно, потому что половину тела пока даже не залила, но из-за того, что плотность в три раза больше, чем у воды, когда заливает по пояс, уже достаточно удивительно.
Я никак не ожидал, что в бетонной смеси можно плавать как буёк. Ногами на дне не стою. Ноги у меня вот здесь. Бетонная смесь выталкивает меня наверх. Итак, мы получили цементный пер. Чтобы сделать бетон, нужно добавить заполнители: песок и щебень. Их добывают из карьеров, затем измельчают до определённых размеров. Для заполнителей бетона есть строгие требования по размеру и форме. Это очень важно, потому что от них будет зависеть прочность материала, который получится на выходе.
Это хорошо. Изменьше песок для бетонной смеси. Хорошо подготовленный доходит до отделки. Так получается гораздо ровнее, куда удобнее, если частички гладкие и скруглённые, и углы не торчат. То есть в идеале вообще ровненько, круглые печинки. Да, гладкие и круглые, вроде гальки или речного песка. Для высоких зданий бетон приходится поднимать высоко, поэтому ещё очень важен вес. В бетон добавляют более лёгкие заполнители. Ими заменяют обычный 9,5 мм кубометр. Обычный весит примерно 2.400 кг, а облегчённый – 1760. Заполнители отправляют на завод большими грузовиками.
Сгружают щебень, разгружают, и потом на транспортёрной ленте ссыпают, взвешивают и отправляют в бетономешалку. Операторы могут открыть створки, насыпать материалы в бак, и оттуда они попадут в бетоносмеситель. Внизу вот здесь сидят операторы, которые управляют всем процессом. Здесь прямо перед нашим оператором Уильямом можно увидеть формулу, по которой материалы будут смешиваться в аппарате. Каждая строчка – отдельный ингредиент будущего бетона: миллиметровый щебень, потом средний, потом песок.
В этом столбике вес, например, крупного щебня. Нам надо около 6 тонн для этой партии. Объём контролирует компьютер. 6 тонн крупного щебня, то есть всё, что надо, заполняется. Да, оно само. Если пойдёт на превышение и сбросят больше, чем надо, полоска станет красной. А здесь на экране можно следить за баком, видно, как засыпают. Вот подъехал грузовик, можно загружать. Уильям, а что там с водой? Почему оранжевый? Да, воды получилось маловато. Воду всегда можно добавить, а вот убрать лишнюю не получится.
Так, теперь попробую заглянуть внутрь. Вот так бетономешалка мешает бетон. Мне стало интересно, насколько отличаются по прочности чистый цемент, цемент с песком и смесь цемента, песка и щебня, то есть типичный бетон. Поэтому я попросил изготовить цилиндр и провести испытание. Можно подумать, что, раз уж цемент - это связующее вещество, то он и окажется прочнее. Цемент – главное волшебство, это клей, и если уменьшить количество цемента на единицу объёма, то прочность снизится.
Но когда мы испытывали цилиндр без добавок, под давлением он начал трескаться и ломаться. И что? В общем, не совсем, как-то держится ещё, сколько-то выдержит. Да ладно, 8000 фунтов на дюйм. Теперь всё на очереди. Цемент с песком – 9163 фунта на дюйм, лучше, чем я думал, исходя из того, что этот цилиндр показал 2 недели назад. Тут записано, 14 дней, 6600. Есть... Моть, что он расколется при давлении на тысячу больше, но он намного прочнее. И, наконец, цемент с песком и щебнем – стандартная бетонная смесь. Всё, нет, только кусочек.
Ого, ну теперь-то всё, да? Нам хватит 8.300. Цилиндр уже не выдержал. Понятно, меня удивило, что все цилиндры раскололи примерно при одинаковом давлении. Довольно интересно, что можно делать разные виды смеси, но прочность получается плюс-минус одинаковая, что у этого или у этого. Цемент – самая дорогая часть бетона. Если можно уменьшить его количество в смеси до 30% без потери прочности, то определенно стоит попытаться.
Кроме того, интересно, что под нагрузкой чистого цемента отлетали небольшие фрагменты и осколки. Другие компоненты как будто позволяли образцу дольше оставаться целым даже под сильным давлением. Так был ли древнеримский бетон лучше современного? Если отвечать коротко, то нет. У древнего бетона были свои довольно нетривиальные плюсы. Например, его перемешивали хуже современного, за счёт чего в составе оставались небольшие скопления оксида кальция, то есть негашённой извести. Если конструкция из такого бетона трескалась, а потом в трещину попадала вода, она растворяла кальций.
Образовывался гидроксид, и затем трещина затягивалась вновь образованным карбонатом кальция. Древнеримский бетон обладал этакой регенерацией, что довольно интересно. И всё-таки в целом, если подумать, сейчас мы видим только те строения, которые сохранились до наших дней. Выжившего есть ещё вопрос стоимости. Мы можем производить очень прочный бетон, который продержится невероятно долго, но этого не делаем, потому что дорого, и текущий срок жизни домов всех устраивает.
Перед тем как отправить бетон на стройку, надо убедиться, что его консистенция соответствует требованиям заказчика: не слишком сухой, не слишком жидкий. Регулировать консистенцию можно водой, но лучше не стоит, это может сказаться на прочности. Поэтому сейчас используют средства – пластификаторы. Здесь в верхнем левом углу показаны блоки дозирования для всех необходимых химических добавок. Как раз их сейчас и добавляют. Пластификаторы, благодаря им, с бетоном проще работать, он лучше ложится, и не приходится менять содержание воды.
Чтобы проверить консистенцию, проводят тест, смотрят так называемую осадку конуса. Сначала целиком заполняют металлический конус до краёв, а потом поднимаем его и смотрим, на какое расстояние от центра растёт смесь. Меня заливают бетоном, который должен расти примерно на 70 см. Измеряем в обоих направлениях, получилось ровно столько, сколько надо. А так и так тоже почти 70 см. Почему так важна правильная консистенция бетонной смеси? Слишком густая не нужна, потому что смесь должна растекаться и заполнять нужную форму, в нашем случае сферу, в которой вы будете находиться.
Интересно, сколько времени можно тут простоять, пока бетон не схватится. Обычно, если смесь не трогать и не перемешивать, то она застывает часа за четыре. Поэтому цистерны бетоновоз постоянно крутятся, иначе бетонная смесь затвердеет прямо в них. Но что случится, если такая машина застрянет или сломается посреди пробки? В таких случаях бетон застывает. И это очень, очень плохо. Но кое-что всё-таки можно сделать, чтобы замедлить схватывание бетона: в него можно добавлять обычной газировки, вроде кока-колы. Сахар, который в ней содержится, тормозит застывание бетонной смеси. Так можно выиграть несколько часов.
Говорят, водители бетоновоз всегда возят с собой пару бутылок сладкой газировки и при необходимости заливают их в бетонную смесь, чтобы она не застыла. Так что надеюсь, это и мне поможет. Но как всё-таки бетон твердеет? Как мы помним, в состав входит сухая смесь: щебня, песка и цементного порошка. К ним добавляют воду. Вода растворяет частички цемента и высвобождает ионы. Часть из них – ионы гидроксида и ионы кальция. Получается, в этом смысле бетон – высокощелочной раствор.
Ну как там, почти 12, точнее 11,8 ш. Бетона доходит до 121. Сейчас у меня здесь 118. Получается, у смеси сильные щелочные свойства. Если попадёт на кожу, то начнёт разъедать клетки и ткани. Окунуться в бетонную смесь – это примерно как прыгнуть в ванну с хлоркой. Именно поэтому я надел гидрокостюм и латексные перчатки. Дома такое лучше не пробовать, пожалуйста, не плавайте в бетоне. Итак, теперь в нашем растворе плавают ионы. Мы помним, что в цементе много трёхкамерной воды.
Для образования этих кристаллов совершенно необходима, она не испаряется, смесь не высыхает, вода становится частью твёрдого бетона. Поэтому этот процесс называют гидратацией цемента. По этой же причине свежий цемент очень любит влагу. В Лас-Вегасе так сухо, что здесь при строительных работах часто устанавливают опрыскиватели, и благодаря им поддерживают достаточную влажность. Пока я готовил это видео, я вдруг осознал, что известняк – ключевой компонент цемента. С ним бетон образовался благодаря древним подводным формам жизни миллионы лет назад. Под водой жили организмы, от которых остались скелеты и раковины. Затем они спрессовались, и теперь мы строим из них огромные небоскрёбы, дорожные развязки, гигантские объекты инфраструктуры.
Везде используется бетон. Когда мы смотрим на село, города, на самом деле мы видим древнюю подводную жизнь. Небоскрёбы – это [музыка] ракушки. Это очень странно, просто невероятно, у меня слов нет. Я пробую вдавить внутрь, но меня выталкивает. Я давлю сверху изо всех сил, а он такой... В общем, меня выталкивает наружу. Давайте попробую ещё раз. Дальше не идёт. В общем, закатать человека в бетон не получится. Видите, стараюсь изо всех сил, но ничего не получается. Пробую толкаться руками, работаю против своей плавучести. Тяжело. Мы-то боялись, что я не сумею выбраться. Оказывается, остаться внутри сложно. Сейчас попробую туда спрыгнуть. Поехали! Вот и всё! Теперь так попробуем: 1, 2, 3! Отлично, это очень весело! Я даже вылезать не хочу! Мне понравилось! А кто-нибудь смотрит на время? Бетон же не схватится, пока я тут прыгаю.
Переведено и озвучено студией Вертайдер.