W budownictwie, jak we wszystkich dziedzinach życia, przyroda jest mi­strzynią człowieka. To, co w budownictwie nazywamy betonem, znajdujemy również w przyrodzie; np. skały osadowe powstały w ten sposób, że okruchy innych zdruzgotanych skał zostały zlepione za pomocą spoiw i wody w jed­ną całość. Najstarsze prymitywne budownictwo masywne polegało na prostym skła­daniu nieobrobionych kamieni, przy czym spoiny i dziury uszczelniano mchem, gliną itp. Budowle takie były naturalnie nietrwałe, bo niespojone w jedną całość kamienie łatwo się ześlizgiwały. Postępem już było ociosywanie i dopasowywanie kamieni. Największe osiągnięcia tego rodzaju budownic­twa spotykamy w budowlach prehistorycznych w Andach południowoamery­kańskich, gdzie bloki kamienne są tak precyzyjnie dopasowane, że spoiny są trudno widoczne. Pomimo braku jakiegokolwiek spoiwa, mury w ten sposób wykonane okazały się trwałe, chociaż liczą tysiące lat. Rozwój budownictwa ludów, których kultury jesteśmy spadkobiercami, po­szedł w innym kierunku. Elementy budowlane, tj. cegły, kamienie i okruchy skalne łączono w jedną całość za pomocą lepiszcza albo spoiwa. O wyborze lepiszcza bądź spoiwa decydowały oczywiście przede wszystkim miejscowe możliwości. W Mezopotamii (Niniwa i Babilon) sklejano obrobione bloki ka­mienne za pomocą bitumu, który się tam znajduje w obfitych ilościach, przy czym bitum nakładano na gorąco. W starożytnym Egipcie pierwotnie stosowa­no jako lepiszcze muł nilowy z dodatkiem sieczki, którym spajano suszone cegły. Przy budowie piramid stosowano już spoiwa mineralne, głównie gips. Tak np. bloki piramidy Chefrena (ok. 2650 r. p.n.e.) spojone są za pomocą gipsu (prawdopodobnie hydraulicznego, przepalonego) z domieszką wapna i niewielkim dodatkiem piasku kwarcowego. Wapno wynaleźli prawdopodob­nie Persowie. Od nich przejęli je Grecy, którzy stosowali na ogół zaprawy wapienne, i to bardzo tłuste, bo zawartość piasku wynosiła normalnie tylko ok. 20"/o. Obok piasku zwykłego Grecy stosowali również pucolanę (ziemię santoryńską). Zaprawy wapienne były znane również Etruskom (XI wiek p.n.e.). Istotny rozwój techniki murarskiej, połączony ze świadomym szuka­niem nowych dróg, stwierdzamy jednak dopiero w budownictwie rzymskim. Rzymianie stosowali oczywiście również zaprawy wapienne, ale poprawili znacznie ich jakość, przystosowując je do masowego budownictwa inżynier­skiego i wodnego, gdzie już chodzi o duże wytrzymałości bądź o tężenie pod wodą. Te pożądane cechy zapraw otrzymywali rzymscy budowniczowie, do­dając do nich dużo piasku i pucolany. Używali oni również obok natural­nych materiałów z wyspy Puzzuoli pucolanę sztuczną w postaci sproszkowa­nej ceramiki (dachówki, garnki), nazywając ten proszek „caementum". Poza tym Rzymianie wynaleźli już beton, którego nazwa pochodzi od łacińskiego „betunium" ')• Beton otrzymali dodając do wapna tłuczeń ceglany, żużel pale­niskowy i kamienie. Rzymianom znane były również domieszki do betonu w postaci związków organicznych i olejów. Kopułę Panteonu w Rzymie (0 37,2 m) wykonano z lekkiego betonu pumeksowego w deskowaniu [220]. Sposoby wykonywania betonu i zapraw opisuje rzymski pisarz Witruwiusz w swoich dziełach o budownictwie (I wiek p.n.e.). Chrześcijańscy spadkobiercy rzymskiej kultury rozwinęli wprawdzie archi­tekturę, ale nie posunęli naprzód samej techniki spajania brył kamiennych lub tworzenia sztucznych brył kamiennych z betonu. W tej dziedzinie na­stąpił zastój, a część zdobyczy rzymskich poszła w zapomnienie. W Europie stosowano w dalszym ciągu zaprawy gipsowe i wapienne, a nawet betony. Tak np. fundamenty pod kościołem na Ostrowiu Lednickim w Wielkopolsce w X wieku wykonane zostały z głazów zalanych rodzajem gruzobetonu. Gru-zobeton składał się z gipsu i niewielkiej ilości tłucznia ceglanego z miałem ceglanym'). Gipsowe zaprawy spotykamy w tym czasie również we Francji, a betony podobne do wyżej opisanego — w Anglii. Przez całe średniowiecze zaprawy i betony były jednak złe, bo wapna i gipsy były źle wypalone, a piaski zanieczyszczone. Zapomniano zupełnie o wapnach wodotrwałych. Upadek rzemiosła murarskiego w owym czasie tłumaczy się zapewne bra­kiem zadań o charakterze inżynieryjno-budowlanym, a zwłaszcza brakiem masywnego budownictwa wodnego. W budownictwie wodnym stosowano po­wszechnie drewno, którego Europa miała wówczas jeszcze nieprzebrane ilości. Mniej więcej od XII wieku daje się zauważyć postęp. Wapna stają się lepsze, a w XIV wieku stosuje się nawet piasek płukany, zaś nieco później jeszcze domieszki krwi bydlęcej, mleka, sierści. Zapewne zaczęto z czasem również zużytkowywać naturalne właściwości hydrauliczne niektórych wapien. We Francji, w kraju o dużej obfitości odpowiednich gatunków wapieni, spotyka­my już w XVIII wieku kilka wapien hydraulicznych, np. wapno z Metz, oraz namiastki pucolany, jak tras holenderski, popiół z Tournay, „cement wieczny" i inne. Tak np. cement wieczny (ciment. perpetuel) uzyskano przez wspólne zmielenie żużla paleniskowego i skorup ceramicznych [124]. Z pew­nością umiano już przed XVIII wiekiem wyzyskać techniczne właściwości wapien hydraulicznych, skoro fabrykowano sztuczne pucolany. Około 1700 r. budowano nadbrzeża Newy w Petersburgu stosując rodzaj cementu romań­skiego [220]. W XVIII wieku zainteresowano się wapnami hydraulicznymi od strony naukowej i zaczęto ulepszać ich produkcję. W 1756 r. Anglik J. Smeaton na podstawie systematycznych badań stwierdził, że hydrauliczność wapna zależy od zawartości glinki, i zastosował wynalezione przez siebie wapno do budowy latarni morskiej. Materiał ten określił on jako równie trwały jak skały Port-landu. W 1774 r. Francuz Loriot stworzył zaprawę wodotrwałą nazwaną jego imieniem. W 1780 r. Francuz Saussure stwierdził, że w spoiwach hydraulicz­nych dalszym aktywnym czynnikiem jest krzemionka. Już w 1796 r. fabrycz­nie wyrabiano w Anglii (J. Parker) pod nazwą cementu romańskiego [499] naturalne wapno hydrauliczne stosowane do robót wodnych. Kilka lat później (ok. 1810 r.) francuski inżynier L. J. Vicot stworzył pierw­sze sztuczne wapno hydrauliczne przez wspólne zmielenie i wypalenie wapna z glinką; spoiwo to może być nazwane właściwym prekursorem cementu sztucznego. L. J. Vicat pracował nad zagadnieniem wapien hydraulicznych i cementów naturalnych przez całe swe życie (t 1861 r.); po jego pierwszej publikacji (1818 r.) nastąpił szereg innych. Jego też wynalazkiem jest tzw. igła Vicata stosowana dotychczas do badania czasu wiązania. Wynalezienie pierwszego cementu sztucznego przypisuje się Anglikowi J. Aspdinowi, który w 1824 r. uzyskał patent na wyrób cementu portlandz­kiego i pierwszy stosował takie metody fabrykacji, jakie w zasadzie jeszcze do dziś są w użyciu. Spoiwo to zostało nazwane cementem portlandzkim, jakoby dlatego, że po związaniu przybrało barwę, jaką mają skały na wyspie Portland w Anglii. A może działała tu sugestia J. Smeatona, o której wspo­mnieliśmy wyżej. Patentowany produkt Aspdina technicznie niewiele się róż­nił od wyrabianych równocześnie wapien hydraulicznych. Lepszy produkt uzy­skano w 1820 r. np. w Rosji (Czelijew). Zasługa wynalazcy Aspdina jest więc niewielka. Ale jest bezsprzeczną zasługą jego i jego rodziny, że wynalazek został szybko ulepszony, a przede wszystkim rozpowszechniony. Dlatego też wynalezienie cementu portlandzkiego słusznie związane jest na zawsze z nazwiskiem Aspdinów. Pierwsza cementownia w Anglii powstała w 1825 r.-W 1850 r. powstały pierwsze cementownie w Niemczech i Francji. Produkcja światowa w 1850 r. osiągnęła 700 000 ton. W 1853 r. uruchomiono (na krótki czas) fabrykację cementu naturalnego w Koźle pow. Olkusz, ale pierwsza prawdziwa cementownia w Polsce (i Rosji) została zbudowana w 1857 r. w Grodźcu k. Będzina; była to piąta z rzędu cementownia na kontynencie europejskim [391]. W początkach XIX wieku stworzone więc zostały podwaliny techniczno-- gospodarczej ekspansji betonu przez stworzenie spoiwa hydraulicznego o okre­ślonych cechach i przez rozpoczęcie systematycznych prac naukowo-badaw­czych. Bardzo szybko wzrosło znaczenie betonu i już ok. 1860 r. Amerykanin Th. Hyatt roipoznał istotę zbrojenia betonu, czyli żelbetu (publikacja jednak dopiero w 1877 r.). Słynny patent Francuza J. Moniem z 18G7 r. nie wniósł właściwie nic nowego, tylko otworzył drogę gospodarczemu rozwojowi bu­downictwa żelbetowego. Badacze, jak Niemcy Koenen i Mórsch, a konstruk­torzy, jak Francuz Hennebiąue i inni, torowali pod koniec ubiegłego stulecia drogę zwycięskiemu pochodowi żelbetnictwa, trwającemu nieustannie po dziś dzień. Z chwilą kiedy beton stał się tworzywem dla konstrukcji inżynier­skich, zrodziła się konieczność znacznej intensyfikacji badań nad spoiwami oraz podjęcia badań naukowych również nad betonem, gdyż materiałom tym zaczęto stawiać coraz wyższe i coraz bardziej precyzyjne wymagania. Do początku bieżącego stulecia w rozwoju naukowej technologii spoiw przodowała Francja, jako kraj o najwyżej rozwiniętej w XIX wieku sztuce budowlanej i posiadający najwięcej odmian spoiw. Prace Vicata kontynuowali Le Chatelier, Candlot, Bied i inni należący już do naszego wieku. Prace te z jednej strony przyczyniły się walnie do ulepszania produkcji spoiw, z dru­giej strony pozwoliły na coraz bardziej wnikliwe rozpoznanie ich właści­wości. W naszym stuleciu na szczególną uwagę zasługują następujące wyna­lazki: a) cementu glinowego — przez Francuza J. Bieda (1908 r.); cement ten nie spełnił jednak pokładanych w nim wielkich nadziei; b) cementów specjalnych o dużej odporności na agresję chemiczną — przez Wiocha F. Ferrariego (1920 r.) oraz przez Niemca H. Kuhla (1924 r.), nazwanych nazwiskami wynalazców; c) cementów gipsowo-żużlowych wg różnych recept (ok. 1940 r.), a pośród nich cementów radzieckich P. P. Budnikowa; d) ce­mentu szybkosprawnego — przez Polaka J. Grzymka (1952 r); e) cementów ekspansywnych — przez Francuza H. Lossiera (1944 r.) na bazie cementu glinowego i przez wspomnianego już P. P. Budnikowa (1952 r.) — na bazie palonego dolomitu. Liczba prac naukowych z dziedziny technologii i teorii spoiw jest nieprzebrana. Napisano również szereg dzieł, z których na szcze­gólną uwagę zasługują m. in. prace: H. Kuhla „Zementchemie" (1951/52 r.) i F. Lea and C. Desch „The chemistry of cement and concrete" (1937 r.). Mimo dużych osiągnięć w zakresie technologii i teorii spoiw praca nad roz­wojem tej dziedziny toczy się wartko dalej, przynosząc prawie z dnia na dzień nowe zdobycze gospodarcze, techniczne i naukowe. Powstanie przemysłu cementowego (1824 r.) zrodziło żelbetnictwo (1867 r.), wymagania zaś żelbetnictwa stały się głównym bodźcem do rozwoju techno­logii betonu. Odkryto bowiem dość szybko, że właściwości betonu, jak ciężar, wytrzymałość, porowatość, przewodność cieplna, chemoodporność itd., zależą r.ie tylko Od spoiwa, ale także od kruszywa i wody. Tak m. in. w 1885 r. J. Samowicz (Rosja) ustalił zależność wytrzymałości od ilości zaczynu i zwrócił uwagę na to, że wytrzymałość wzrasta, jeżeli zmniejszyć ilość wody. Niemniej długo jeszcze istniało przekonanie, że ilość cementu w 1 m3 betonu jest czynnikiem decydującym o właściwościach betonu. Do 1915 r. publikowano empiryczne tablice zależności wytrzymałości od różnych skła­dów betonu, które w dodatku z reguły ustalano objętościowo. Początek naukowej technologii betonu [422], w naszym obecnym pojęciu, stanowią niewątpliwie teoretyczne prace Francuza R. Fereta, opublikowane w latach 1890-7-1895, w których autor sformułował i udowodnił tezę, że wy­trzymałość betonu zależy od stosunku absolutnej objętości cementu do obję­tości jam kruszywa, wypełnionych cementem, wodą i powietrzem. Jak widać, nie był to jeszcze używany przez nas dziś współczynnik wodocementowy, choć łatwo go już wyprowadzić ze wzoru Fereta, co w 1918 r. uczynił pierw­szy Duff A. Abrams z Lewis Institute Chicago, badacz niezmiernie zasłużony dla technologii betonu. Po nim ustalono szereg wzorów zależności wytrzyma­łości od współczynnika wodocementowego, jak wzór J. Bolomeya (Szwajcaria 1924 r.), najszerzej na świecie stosowany, N. M. Bielajewa (ZSRR 1926 r.), stosowany często w ZSRR, O. Grafa (Niemcy) i inne, rzadko stosowane. Zależ­ność Rw = f (wic) uważana jest dotychczas za podstawę technologii betonu. W swych pracach z 1890-H895 r. R. Feret wypowiedział się również co do optymalnego uziarnienia kruszywa, postulując, aby kruszywo było możliwie gęste i aby jaray kamieniwa wypełnione były piaskiem drobnym, najlepiej w stosunku wagowym 2/8 kamieni do v3 piasku; zalecił on poza tym uziar-nienie nieciągłe. Kwestia uziarnienia kruszywa stała się drugim kapitalnym czynnikiem rozwoju teoretycznej technologii betonu, bo po sformułowaniu Fereta zdano sobie szybko sprawę, że wodożądność kruszywa przesądza w wielkim stopniu o ilości wody w betonie, a więc wpływa decydująco na stosunek wodocementowy. Ukazało się wiele prac na ten temat. W 1907 r. W. B. Fuller i S. E. Thompson (USA ogłosili wyniki swych do­świadczeń, podając wzory krzywych optymalnego uziarnienia, którym wg autorów miało oyć uziarnienie ciągłe. W 1918 r. L. N. Edwards (Kanada) wprowadził pojęcie powierzchni właściwej (stosu kul), zaś w 1919 r. R. B. Young (USA) twierdził, że najlepszą mieszankę betonową daje kilkufrakcjo-we uziarnienie o najmniejszej powierzchni właściwej. Jednocześnie w 1918 r. D. A. Abrams pierwszy wprowadził pojęcie wskaźnika uziarnienia. Podobne wskaźniki opracowali później A. Hummel (Niemcy), W. Kuczyński (Polska). Pojęcia powierzchni właściwej i wskaźnika uziarnienia dają tę dogodność, że pozwalają charakteryzować liczbowo zarówno kruszywa ciągłe, jak i nie­ciągłe. Przy tym Abrams podał liczbowe wartości wodożądności mieszanek w zależności od wskaźnika uziarnienia, od stosunku cementu do kruszywa i od konsystencji, co już pozwalało na projektowanie betonu o określonej wytrzymałości. W latach 1921^-1923 A. N. Talbot, F. E. Richart i E. E. Bauer (Univ. Illi­nois) wrócili znowu do koncepcji Fereta, proponując wypełnianie jam kamie­niwa zaprawą, więc wypowiedzieli się poniekąd za uziarnieniem nieciągłym. Ich koncepcje nie znalazły jednak uznania wobec sugestywności wskaźnika uziarnienia Abramsa, który to wskaźnik uzyskał w krajach anglosaskich nie­zwykłą popularność, utrzymującą się po dziś dzień. W 1924 r. J. Bolomey (Szwajcaria) poddał krytyce wzór Fullera, zarzucając mu, że daje betony trudno urabialne i źle zagęszczalne z powodu braku drobnych frakcji, i przedstawił swój własny wzór optymalnego uziarnienia. Bolomey znalazł w Europie dużo zwolenników, niemniej stwierdzono szybko, że komponowanie kruszyw o uziarnieniu idealnym, choćby tylko w przybli­żeniu, jest kłopotliwe i kosztowne. Toteż w 1928 r. R. Dutron zaproponował, aby idealne krzywe uziarnień uważać jako krzywe wzorcowe i dopuścić takie odchylenia od nich, które by się granulometrycznie poniekąd kompensowały. Oznaczało to wprowadzenie obszarów dobrego uziarnienia kruszywa, czyli wprowadzenie krzywych granicznych. W latach 1928-H932 wielu autorów opracowało graniczne krzywe uziarnie­nia kruszywa dla różnych celów. Przebieg obszarów między tymi krzywymi przypomina ciągłością krzywe idealne, niemniej między granicznymi krzy­wymi mieszczą się również uziarnienia nieciągłe. Te graniczne krzywe do dziś dnia stanowią istotne składniki norm betonowych wszystkich państw. Miało to duże znaczenie praktyczne, ale nie można było tą drogą uzyskać betonów o szczególnie wysokich wytrzymałościach. W 1930 r. opublikował J. Bolomey współczynniki wodożądności dla poszcze­gólnych frakcji kruszywa, nie ustanawiając jednak własnej metody projek­towania betonu. W latach 1932-t-1934 O. Stern (Austria) opublikował mate­matyczne prace o właściwościach geometrycznych stosu okruchowego i opra­cował własną metodę projektowania betonu, matematycznie bardzo skompli­kowaną i nieprzejrzyście wyłożoną przez autora. Podał on również wzór na wodożądność frakcjową, za pomocą którego otrzymuje się wodożądności ana­logiczne do bolomeyowskich. W 1932 r. F. Bendel (Austria) zanalizował roz­rzuty wytrzymałościowe ciał próbnych za pomocą rachunku korelacyj­nego [575]. Wykorzystując wzór wytrzymałości R„. = f (c, w) oraz współczynniki wodo­żądności frakcjowej Bolomeya i dodając warunek szczelności betonu wg Fereta, W. Paszkowski (Polska) stworzył w 1934 r. analityczną metodę pro­jektowania betonu, odznaczającą się niepospolitymi walorami teoretycznymi i praktycznymi. Metodę tę rozbudowywał autor do 1939 r. Została ona po­wszechnie przyjęta w Polsce. Sprawa teoretycznie najwłaściwszego uziarnienia kruszywa lub mieszanki betonowej nie przestała tymczasem absorbować umysłów naukowców, zwłasz­cza francuskich. W 1927 r. J. Leclerc du Sablon (Francja) przedstawił wyniki doświadczeń wykazujące wyższość nieciągłych uziarnień, a mianowicie mieszanek składających się z 3 frakcji o takich wymiarach, aby najmniejsze ziarno większej frakcji było 2,5-krotnie większe od największego ziarna mniejszej frakcji. Jednocześnie (1927 r.) Frtesecke (Niemcy) wykazał podob­nie, że mieszanka staje się najgęstsza, jeżeli użyje się do jej zestawu frakcji różniących się 7-krotnie pod względem wymiaru średniej średnicy ziarn. Dalsze dociekania w tym kierunku — to praca C. C. Furnasa (Anglia) z 1931 r. oraz wspomniane wyżej prace O. Sterna (Austria) z 1932 r. Najpoważniejsze jednak jest opracowanie A. Caąuota (Francja) z 1937 r., który drogą mate­matyczną (częściowo też doświadczalną) ustalił kryteria maksymalnej gęsto­ści i optymalnego uziarnienia dla uziarnień nieciągłych, ale zachowując okre­śloną progresję wielkości ziarn lub frakcji; stąd znalezione prawa mogą być rozciągnięte również na uziarnienia ciągłe. Sam autor nie przyznaje uziar-nieniom nieciągłym zdecydowanej wyższości nad uziarnieniami ciągłymi. Według autora mieszanka jest najściślejsza, jeżeli krzywa przesiewu naniesiona w skali x=y d stanowi prostą. A. Caąuot wprowadza też jako pierw­szy [351] pojęcie „efektu ściany", czyli wpływu tarcia ziarn o powierzchnie naczynia i o siebie nawzajem; zjawisko to zostało bliżej zbadane i uogól­nione przez A. Faury'ego. Wyniki dociekań A. Caquota zostały bardzo życz­liwie przyjęte przez francuskich teoretyków i praktyków. Traktując krzywe optymalne Caquota jako krzywe wzorcowe, francuscy badacze, jak A. Faury (1944 r.), A. Joisel (1953 r.) i inni, stworzyli praktyczne, ale dość skompliko­wane metody projektowania betonu o optymalnym uziarnieniu; zagadnienie betonów zwykłych zostało przy tym prawie zupełnie pominięte, co nie bardzo sprzyjało rozpowszechnieniu tych metod na świecie. Abstrahując od wspomnianych dociekań O. Sterna, naukowcy niemieccy raczej mało przyczynili się do istotnego rozwoju technologii betonu, choć oczywiście mogą się poszczycić takimi znanymi nazwiskami jak O. Graf, R. Grün i A. Hummel. Ale prace tych badaczy nie dotyczą bezpośrednio wyżej omówionej linii rozwojowej. O. Graf wykonał ogromną ilość doświad­czeń, m. in. nad wpływem pyłów, i rozwinął sprzęt badawczy, ale nie miał rewelacyjnych osiągnięć z zakresu teorii betonu. R. Grün zajmował się głów­nie chemoodpornością betonu. A. Hummel opracował wskaźnik uziarnienia, praktyczniejszy od wskaźnika Abramsa, i napisał znaną książkę „Das Beton — ABC". W ZSRR od lat pracuje się intensywnie nad technologią betonu, przy czym wymienić należy tu przede wszystkim B. G. Skramtajewa, znanego z opra­cowania metody projektowania betonu (wspólnie z S. A. Mironowym) i stwo­rzenia lub ulepszenia szeregu metod badawczych. W Polsce mamy własną szkołę technologii betonu zapoczątkowaną przez W. Paszkowskiego. Tu też pojawiła się w 1946/47 r. pierwsza wyczerpująca monografia o betonie Br. Bukowskiego pt. „Technologia betonów i zapraw" w 4 tomach. Poza tym stworzono kilka metod projektowania i badania be­tonu, spośród których prócz wspomnianej wyżej metody W. Paszkowskiego na szczególną uwagę zasługuje całkowicie doświadczalna metoda projektowa­nia betonu W. Kuczyńskiego (1954 r.), odznaczająca się pośród wszystkich znanych metod szczególnie dużą prostotą i operatywnością. Na zakończenie jeszcze choćby wspomnieć należy o pracach technologów skandynawskich Hallstróma, Suensona i innych. Powyższy przegląd historyczny — to zaledwie szkic, bardzo niekompletny, traktujący tylko odcinek betonów konstrukcyjnych i to pod kątem widzenia teorii struktury betonu. Zupełnie natomiast nie poruszono w nim historii rozwoju metod i sprzętu badawczego, rozwoju wykonawstwa1 wynalazków w dziedzinie domieszek, badań z dziedziny petrografii, chemii itd.; również nie omówiono wcale historycznego rozwoju technologii lekkich betonów Stąd też pominięto w szkicu szereg głośnych nazwisk i nie stworzono pełnej perspektywy sumarycznych osiągnięć poszczególnych narodów. Sporo jednak dalszego materiału historycznego można znaleźć w tekście niniejszego dzieła.