Г.М. Грушевский, О.О. Иваев,

Г.М. Грушевский, О.О. Иваев,

С.К. Романов, В.В. Ходыкин

Железобетонные конструкции

Утверждено редакционно-издательским

советом университета в качестве

учебного пособия

 

 

Нижний Новгород - 2006

 

 

ББК 38.53

Ж 51

 

 

Грушевский Г.М., Иваев О.О, Романов С.К., Ходыкин, В.В. Железобетонные конструкции: учебное пособие. – Н.Новгород: Нижегород. гос. архит.-строит. ун-т, 2006. – 88 с.

ISBN 5-87941-455-8

 

 

В пособии описаны прочностные и деформативные свойства бетона, стальной арматуры и железобетона, а также экспериментальные основы теории сопротивления железобетона.

Пособие предназначено для студентов специальности 270115 – «Экспертиза и управление недвижимостью» при подготовке к дисциплинарным испытаниям по курсу «Железобетонные конструкции».

 

 

ББК 38.53

 

ISBN 5-87941-455-8

 

© коллектив авторов, 2006

© ННГАСУ, 2006

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Сущность железобетона. Железобетоном называется сочетание бетона и арматурных изделий (сеток, каркасов, отдельных стержней и т.д.), уложенных в теле бетона в соответствии со статической работой конструкции. Такое сочетание материалов целесообразно, так как сталь­ные стержни, поставленные в растянутой зоне элемента, прекрасно восполняют основной недостаток бетона как конструктивного стро­ительного материала. Известно, что бетон, обладая высокой прочно­стью на сжатие, в 10...20 раз хуже сопротивляется растяжению, что практически не позволяет использовать его как конструктивный ма­териал для растянутых и изгибаемых элементов несущих конструк­ций.

Железобетонными конструкциями здесь называются несущие элементы зданий и сооружений, изготавливаемые из железобетона, и сочетания этих элементов.

Стальные стержни, имеющиеся в железобетонных конструкци­ях, в дальнейшем будут называться арматурой. Работая сов­местно с бетоном, железобетонные конструкции хорошо сопротивляются как растяжению, так и сжатию.

Идея железобетона состоит в том, чтобы в железобетонных кон­струкциях использовать бетон преимущественно в работе на сжатие, а арматуру – в работе на растяжение. Этим неограниченно рас­ширяется область применения бетона как конструктивного строи­тельного материала. Идею железобетона можно достаточно хорошо проиллюстрировать следующим примером.

Бетонная балка (без арматуры), лежащая на двух опорах и под­верженная поперечному изгибу, испытывает растяжение продоль­ных волокон в зоне, находящейся ниже нейтрального слоя (рис. 1, а). Такая балка обладает малой несущей способностью вследствие сла­бого сопротивления бетона растяжению. Она разрушается внезапно (хрупко) при возникновении первой же трещины в бетоне растяну­той зоны. Прочность бетона на сжатие в момент, предшествующий разрушению, в бетонной балке сильно недоиспользуется (напряже­ния в нормальных сечениях в сжатой зоне в этот момент едва до­стигают 5... 10 % от прочности бетона на сжатие).

Такая же балка (рис. 1, б), снабженная небольшим по сравнению с площадью по­перечного сечения балки количеством продольной арматуры, размещенной в растянутой зоне, может иметь несущую способность, до 20 раз превосходящую несущую спо­собность бетонной балки. Характер разрушения балки при не слишком большом насыщении ее сечений арматурой плавный, постепен­ный (пластичный). В такой конструкции может быть полностью ис­пользована прочность бетона в работе на сжатие, а арматуры – на растяжение.

Арматуру, имеющую весьма высокое сопротивление сжатию, можно также использовать для усиления бетона сжатой зоны.

 

Рис. 1. Схемы разрушения балок: а – бетонная балка; б – железобетонная балка; 1 – нейтральная ось; 2 – трещины; 3 – сжатая зона; 4 – растянутая зона; 5 – стальные стержни (арматура)

Арматура может быть не только в виде стальных стержней. В качестве арматуры иногда используют нити, канаты, пряди и др. из стекловолокна и даже деревянные или бамбуковые рейки. Однако наиболее широко сейчас применяется стальная арматура.

Основой совместной работы бетона и арматуры (т.е. одинаковые деформации их смежных волокон) в железобетоне является выгод­ное природное сочетание некоторых важных физико-механических свойств этих материалов, а именно:

1) при твердении бетона между ним и поверхностью стальной арматуры возникают значительные силы сцепления, вследствие чего в железобетонных элементах под нагрузкой оба материала де­формируются совместно;

2) плотный бетон (с достаточным содержанием цемента – от 200...250 до 300...400 кг/м^З и более) надежно защищает заключенную в нём стальную арматуру от коррозии, а также предохраняет ее от непосредственного
воздействия огня и механических по­вреждений;

3) сталь и бетон обладают близкими по величине коэффициентами температурного (линейного) расширения, поэтому при измене­нии температуры в пределах от –50°С до +50°С в обоих материалах возникают несущественные начальные (внут­ренние) напряжения и скольжения арматуры в бетоне не наблю­дается; α _st = 0,000012°С^-1; α _bt = 0,00001° С^-1.

Достоинства и недостатки железобетона. К основным достоинствам железобетона, обеспечивающим ему широкое примене­ние в строительстве, относятся:

- огнестойкость;

- долговечность;

- вы­сокая механическая прочность при сжатии;

- хорошая сопротивля­емость сейсмическим и другим динамическим воздействиям;

- воз­можность возводить конструкции любой формы;

- малые эксплуата­ционные расходы на содержание зданий и сооружений (по сравне­нию с металлическими и деревянными конструкциями);

- хорошая сопротивляемость атмосферным воздействиям;

- высокая гигиенич­ность, способность задерживать радиоактивные излучения;

- почти повсеместное наличие крупных и мелких заполнителей, в больших количествах идущих на приготовление бетона.

Все эти факторы делают железобетон доступным к применению практически на всей территории стра­ны. Затраты электроэнергии на производство железобетонных кон­струкций значительно ниже по сравнению со стальными и ка­менными.

Недостатки железобетона:

- большая плотность;

- высокая звуко- и теплопроводность;

- трудоёмкость переделок и усилений;

- необходи­мость выдержки конструкции в опалубке до приобретения ею тре­буемой прочности;

- появление трещин вследствие усадки и силовых воздействий.

Многие из этих недостатков могут быть полностью или частично устранены путём применения бетонов на пористых запол­нителях, специальной обработки (пропаривания, вакуумирования и т.п.), предварительного напряжения.

При общей оценке железобетона как строительного материала следует иметь в виду, что отмеченные выше недостатки малозначи­тельны по сравнению с его достоинствами. Это привело к тому, что за исторически короткий промежуток времени (примерно 150 лет) железобетон занял доминирующее положение в строительстве.

Нелишне отметить, что на изготовление железобетонных кон­струкций расход стали в 2,5...3,5 раза меньше, а на изготовление на­стилов, труб, бункеров, силосов и т. п. железобетонных конструкций расходуется стали примерно в 10 раз меньше, чем на аналогичные стальные конструкции. К тому же железобетонные конструкции бо­лее долговечны и огнестойки. Поэтому замена металлических кон­струкций на железобетонные (там, где это возможно) позволяет эко­номить дефицитный металл и имеет важное народно-хозяйственное значение.

Из железобетона выполняют многие конструкции, в которых большая масса не является недостатком, а иногда даже и полезна, например, в гидротехнических сооружениях (бетонные плотины, стенки шлюзов), подпорных стенках, фундаментах.

Области применения железобетона. Для современного ка­питального строительства железобетон является строительным ма­териалом № 1. Он применяется в самых разнообразных отраслях строительства, находя в каждой из них подходящие области применения. Из железобетона проектируются и строятся многие здания и сооружения промышленного, гражданского и транспорт­ного назначения. Железобетон широко применяют в гидротехни­ческом (плотины, дамбы, гидроэлектростанции) и энергетическом строительстве (главные корпуса тепловых и атом­ных электростанций, атомных реакторов), а также нередко в судо­строении (например, из железобетона изготовляют корпуса барж) и машиностроении (для изготовления станин и опорных частей тя­жёлых станков и прессов). Из железобетона возводят жилые дома, общественные здания различного назначения, сельскохозяйствен­ные постройки и различные инженерные сооружения (дымовые тру­бы, телевизионные и водонапорные башни, резервуары и т.д.). В транспортном строительстве железобетонные конструкции при­меняют для возведения мостов, водопропускных труб, путепрово­дов, метрополитенов, тоннелей на железных и автомобильных доро­гах, подпорных стенок. Их употребляют также для покрытия дорог и аэродромов. Многие здания и сооружения на железнодорожном транспорте построены с применением железобетонных конструкций. К ним относятся железнодорожные вокзалы, локомотивные и вагоноремонтные депо, пассажирские платформы. При строительстве железных дорог широко применяют железобетонные шпалы, желе­зобетонные опоры контактной сети и другие железобетонные кон­струкции. В горной промышленности железобетон используется для надшахтных сооружений и крепления подземных выработок.

В последние десятилетия железобетон стали использовать при возведении платформ для добычи нефти со дна морей в зоне шельфа и для устройства саркофагов и скафандров для захоронения радио­активных отходов и хранения радиоактивных материалов.

По способу возведения различают: железобетонные конструк­ции сборные, изготовляемые преимущественно на заводах стройиндустрии и затем монтируемые на строительных площадках; мо­нолитные, полностью возводимые на месте строительства; сборно-монолитные, в которых рационально сочетается использование сбор­ных железобетонных элементов заводского изготовления и монолит­ного бетона. Монолитный железобетон с каждым годом получает всё большее применение по всей стране (каркасные здания с безбалочными перекрытиями).

Прогнозы показывают, что в нынешнем столетии железобе­тон останется основным строительным материалом для несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений различного назна­чения.

Краткие исторические сведения о возникновении и раз­витии железобетона. Развитие производства строительных конструкций, в том числе и железобетонных, неразрывно связано с условиями матери­альной жизни общества. Появление железобетона во второй поло­вине XIX века совпало по времени с периодом ускоренного развития промышленности, торговли и транспорта. В этот период возникла потребность в строительстве большого числа фабрик, заводов, мо­стов, портов и других сооружений. Как следствие этого увеличи­лась потребность в строительных материалах. С одной стороны это привело к вздорожанию уже известных материалов, а с другой – послужило толчком к поиску новых строительных материалов. К тому же для строительства мостов и многих промышленных зда­ний с дорогим и сложным оборудованием стала ощущаться острая потребность в новых огнестойких, дешевых и надежных в эксплу­атации строительных конструкциях. Это привело к появлению но­вого строительного материала – железобетона, в котором удачно сочетались лучшие качества каменных материалов и стали.

В 1999 г. исполнилось 150 лет со времени изобретения железо­бетона. Хотя на звание родины этого материала претендовали Англия и США, приоритет все-таки следует отдать Франции. Фран­цузы подчеркнули этот факт, отпраздновав столетие железобетона в 1949 г.

Появление железобетона вызвало революционные преобразова­ния в строительстве, влияние которых на современную цивилиза­цию можно сравнить лишь с влиянием таких великих открытий как автомобиль, радио, ядерная реакция. В прошлом веке железобетон получил широкое распространение как материал, имеющий обшир­ную сырьевую базу, экологически безопасный, наиболее подходящий для изготовления различных строительных изделий, конструкций и систем.

Весь короткий исторический путь развития железобетонных кон­струкций (по сравнению с конструкциями из дерева, камня и стали) можно условно разделить на 4 периода.

Первый период возникновения железобетона (1849-1885 гг.) характе­ризуется появлением первых конструкций из армированного бетона. В этот период железобетонные конструкции появились практически одновременно в нескольких высокоразвитых странах (Франции, Ан­глии, США и Германии), где уже производился цемент и стальной прокат.

Первым документально зафиксированным изделием из железо­бетона явилась лодка, построенная в 1849 г. Жаном Луи Ламбо, адвокатом по профессии. В 1854 г. штукатур из Ньюкасла Вильям Уилкинсон получил патент на конструкцию огнестойкого перекрытия, состоящего из железных полос, укладываемых на рас­стоянии 50 см друг от друга и заливаемых бетоном. Причём для по­вышения прочности перекрытия в пролете полосы укладывались в нижней части сечения, а над опорами отгибались в верхнюю часть. В. Уилкинсон был первым, кто понял принцип рационального армирования железобетона. В 1867 г. французский садовник Жозеф Монье получил патент на изготовление кадок для цветов из железа и цемента. Длительное время, особенно в России, Ж. Монье считался изобретателем железобетона. Он получил во многих странах мно­жество разнообразных патентов на конструкции из железобетона (шпалы, трубы, балки и даже мосты). В 1880 г. патент на желе­зобетон был получен им и в России.

На развитие железобетона в Англии большое влияние ока­зал французский инженер Франсуа Генебик. Его фирма выиграла несколько подрядов на сооружение различных зданий. Им были построены мельницы, силосы для хранения зерна, водонапорные баш­ни, портовые сооружения и др.

В 1864 г. Франсуа Куанье построил во Франции первую цер­ковь из железобетона. В 1861 г. он опубликовал брошюру «При­менение бетона в строительном искусстве», где впервые указал на то, что бетон и стальные стержни в нем работают совместно. Около 20 лет Ф. Куанье строил железобетонные сооружения во Франции и в других странах.

В России впервые железобетон был использован в 1879 г. ин­женером Д.Ф. Жаринцевым при возведении стен зданий в г. Батуми.

В 1885 г. в Германии инж. Вайс и проф. Баушингер провели первые научные опыты по определению прочности и огнестойко­сти железобетонных конструкций, сохранности стали в бетоне, сил сцепления арматуры с бетоном и пр. Тогда же впервые инж. Кёнен высказал предположение, затем подтверждённое опытами, что ар­матура должна располагаться в тех частях конструкции, где можно ожидать растягивающие усилия.

Исследования покрытий Царскосельского дворца показали, что русские мастера ещё в 1802 г. применяли армированный бетон, однако не считали, что получили новый строительный материал, и не патентовали его.

Второй период – с 1886 по 1917 год – называют периодом освоения железобетона в строительстве. В России с 1886 г. желе­зобетон стал применяться для устройства междуэтажных перекры­тий по стальным балкам. Много таких перекрытий встречается в Петербурге в зданиях старой постройки. В России развитие желе­зобетонных конструкций шло под влиянием зарубежного опыта и отечественной практики. Начало широкому использованию железо­бетона в России положили проведенные в Петербурге в 1891 г. под руководством профессора Института путей сообщения Н.А. Белелюбского публичные испытания различных железобетонных кон­струкций (плит, балок, труб, резервуаров, арочного моста пролетом 17 м и др.). Эти испытания выявили большие преимущества желе­зобетона перед другими строительными материалами. В 1904 году при участии проф. Н.А. Белелюбского в г. Николаеве был постро­ен первый в мире железобетонный морской маяк высотой 40,2 м со стенами толщиной 10 см вверху и до 20 см внизу (рис. 2).

 

Рис. 2. Железобетонный маяк в г. Николаеве

В 1900 г. на Парижской всемирной выставке железобетон был официально признан надежным строительным материалом. Но уже с 1898 г. железобетонные конструкции нередко применялись в России при строительстве железнодорожных сооружений, шоссейных дорог, в промышленном и граждан­ском строительстве. За несколько лет было построено более тридцати железо­бетонных путепроводов и мостов. Пер­вые в мире ТУ (технические условия) на железнодорожные со­оружения из железобетона МПС России утвердило в 1908 г.

Первая конструкция железобетонной шпалы была предложена еще в 1880 г. во Франции, но начало практического применения железобетонных шпал, как в нашей стране, так и за границей отно­сится к 1902–1903 гг. Первые железобе­тонные шпалы в России были изготовле­ны в 1903 г. и испытаны в лаборато­рии С.-Петербургского Института путей сообщения. Часть этих шпал была уло­жена на одной из станций б. Финлянд­ской железной дороги. Вслед за этим в период с 1903 по 1927 год попытки при­менения железобетонных шпал на на­ших дорогах предпринимались неодно­кратно. Однако широкое применение та­ких шпал началось только в послевоен­ный период.

В 1908 году проф. А.Ф. Лолейт за­проектировал и построил в Москве че­тырехэтажный склад молочных продук­тов с безбалочными перекрытиями. С этого времени железобетон в России на­чал постепенно вытеснять сталь и дерево при выполнении несущих конструкций зданий и сооружений.

Значительные по размаху и глубине исследования несущей спо­собности и трещиностойкости железобетонных конструкций были проведены в конце XIX и начале XX столетий в Германии под руковод­ством профессоров Мёрша, Баха, Графа, Эмпергера. Полученные результаты были положены в основу разработки теории железобето­на и нормативных документов по проектированию таких конструк­ций.

В третий период широкого применения железобетона в нашей стране (1918–1945 гг.) особенно большое распространение он получил в промышленном и гидротехническом строительстве. После ок­тябрьской революции 1917 г. произошли коренные изменения в экономике страны. Сразу после окончания гражданской войны пе­ред руководством страны встают задачи восстановления разрушен­ного хозяйства и выполнения всевозрастающих планов капитально­го строительства. Решение этих проблем в то время было бы невоз­можно без широкого применения железобетона.

В годы первых пятилеток вследствие больших объемов строи­тельства и тенденции экономии стали, необходимой для нужд маши­ностроения, железобетон постепенно занимает доминирующее поло­жение в капитальном строительстве. Широкое распространение по­лучают монолитные неразрезные балочные перекрытия, многопро­летные и многоярусные рамы (этажерки), арки, элеваторы, силосы, бункеры. В двадцатые годы в стране начиналось строительство крупных электростанций с широким применением бетона и железо­бетона (Волховская, Свирская, Днепровская ГЭС).

В 1928 г. у нас в стране появились первые сборные железобе­тонные конструкции, которые затем стали все шире применяться в промышленном и гражданском строительстве.

В это же время начинают применяться тонкостенные простран­ственные конструкции: купола (первый тонкостенный купол диа­метром 28 м был возведен в Москве для планетария в 1928 г., оперный театр в Новосибирске в 1934 г. был перекрыт куполом диаметром 55,5 м, который имел толщину оболочки всего 8 см), складки, цилиндрические оболочки, шатры и т. п. В этот период начиналось проектирование и строительство Московского метро.

Появление сталей и бетонов высокой прочности позволило реа­лизовать на практике в 1928–1930 гг. идею создания предварительно напряженных железобетонных конструкций. Этого удалось впервые добиться талантливому французскому ученому и инженеру Эже­ну Фрейссине. Предварительно напряженные железобетонные кон­струкции обладают повышенной трещиностойкостью и жесткостью. Кроме того, они экономичны за счет уменьшения размеров сечений. Это поз­волило значительно увеличить пролеты зданий и сооружений, пере­крываемых железобетонными конструкциями.

Первые теоретические основы расчета железобетонных конструк­ций и принципов их конструирования были созданы трудами пер­вых исследователей железобетона Консидером, Генебиком (Фран­ция), Кёненом и Мёршем (Германия). К концу XIX века в общих чертах сложилась теория расчета железобетонных конструкций по допускаемым напряжениям, основанная на принципах сопротивления упругих материалов. Как выяснилось в дальнейшем, она имела крупные недостатки.

Бурный рост применения железобетона вызвал необходимость совершенствования теории. Большой вклад в ее дальнейшую раз­работку внесли русские и советские ученые: А.Ф. Лолейт (теория расчета по разрушающим усилиям, которая применялась в СССР с 1938 по 1955 год), В.М. Келдыш, А.А. Гвоздев, С.М. Кры­лов (разработка метода расчета по предельным состояниям, теория расчета статически неопределимых конструкций по методу предель­ного равновесия), В.И. Мурашев (теория трещиностойкости и жест­кости железобетона), И.И. Улицкий, А.Е. Шейкин, П.И. Васильев, С.В. Александровский (исследования по теории ползучести бетона), К.В. Михайлов, Н.М. Мулин (разработка и исследование новых ви­дов арматуры), В.В. Михайлов, Г.И. Бердичевский, С.А. Дмитри­ев, А.П. Коровкин (разработка и исследование предварительно на­пряженных железобетонных конструкций), С.С. Давыдов (расчет и конструирование подземных сооружений) и многие другие.

Четвертый период широкого применения железобетона в нашей стране начался в 1946 г. и продолжается по настоящее время.

После окончания Второй мировой войны весьма резко возрос­ла потребность в новом строительстве и положение железобетона среди других строительных материалов стало доминирующим.

Железобетон стал основой не только промышленного и гидротех­нического, но и жилищного, теплоэнергетического, транспортного, дорожного, сельскохозяйственного строительства. Широкое приме­нение сборного железобетона совершило переворот в строительной технике. Появились заводские технологии изготовления железобе­тонных конструкций. Претерпели большие изменения конструктив­ные формы зданий и сооружений в связи с переходом на полно­сборное строительство. Создана обширная номенклатура типовых сборных железобетонных изделий для массового применения (бал­ки, фермы, панели, фундаментные блоки, дорожные и аэродромные плиты покрытия и др.). Использование сборного железобетона поз­волило вести строительство круглогодично и в огромных масшта­бах. Если объём применения сборных конструкций в СССР в 1955 г. составил 12 %, то в 1990 г. он составлял уже около 60 % от общего объёма производства железобетона.

Дальнейшим развитием теории железобетона стал созданный в нашей стране и применяемый с 1955 г. единый метод расчета всех строительных конструкций по предельным состояниям, разработанный профессорами Н.С. Стрелецким, В.М. Келдышем, А.А. Гвозде­вым и др.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследова­ния, накопленный опыт строительства и достижения в области улуч­шения качества строительных материалов позволили за историче­ски короткий срок значительно повысить уровень применения железобетонных конструкций. Об огромных возможностях железобетона как строи­тельного материала наглядно свидетельствуют нижеприведенные здания и со­оружения:

1. Башня Московского телецентра в Останкино высотой 537 м с 385-метровой нижней предварительно напряженной частью из мо­нолитного железобетона (рис. 3 б).

Рис. 3. Башни, построенные в разных странах: а – в Торонто, 550 м; б – башня Московского телецентра в Останкино, 537 м; в – Эйфелева башня в Париже; г – типовая радиобашня, ССР, 205 м; д – башня Шухова в Москве, 160 м

2. Торговый центр в г. Челябинске, перекрытый без промежу­точных опор пологой сборно-монолитной оболочкой с размерами в плане 102x102 м.

3. Крытый рынок в г. Минске, перекрытый пологой сборно-монолитной оболочкой из аглопоритобетона с размерами в плане 103x103 м. Существуют реальные возможности для перекрытия та­кими оболочками плана 150x150 м и более. В частности, Проектный институт №1 Министерства строительства разработал в свое вре­мя проект оболочки, очерченной по круговой поверхности переноса, для покрытия стоянки машин в г. Новосибирске с размерами в плане 150x150 м (рис. 4).

4. В Париже оболочкой, представляющей в плане правильный треугольник со стороной 218 м, перекрыт выставочный павильон Дворца Техники. Оболочка опирается на три точки и перекрывает площадь 30000 м². Толщина ее всего 100 мм. Поперечное сечение волнистое. Высота гофра 600 мм (рис. 5).

5. В Сиэтле построен ребристый железобетонный купол пролё­том 220 м.

6. Бетон уверенно вытесняет сталь из высотного строительства: в США и во многих других странах построены сотни небоскрёбов с монолитным каркасом. Для таких зданий применяют бетон высокой прочности. В 1998 г. в Чикаго закончилось строительство небо­скреба «Миглин Вайтер» (125 этажей, Н = 610 м) с железобетонным каркасом.

 

Рис. 4. Оболочка, очерченная по круговой поверхности переноса, для покрытия стоянки автомобилей в Новосибирске

 

Рис. 5. Оболочка в виде правильного треугольника, который перекрыт Дворец Техники в Париже

7. Скульптура Родина-Мать в г. Волгограде.

8. Из железобетона возводятся дымовые трубы высотой до 420 м. В настоящее время железобетон является основным конструк­тивным материалом в строительстве, так как он обладает высокой прочностью, долговечностью, стойкостью к воздействию высоких температур и агрессивных сред, способностью твердеть и наращи­вать прочность под водой, допускает изготовление конструкций са­мой разнообразной формы и не требует практически эксплуатаци­онных расходов. Около 85% всех несущих строительных конструк­ций, многие из которых монтируют из сборных элементов, выпол­няют сейчас из железобетона. Такое положение сохранится, види­мо, и в обозримом будущем. Однако в последнее десятилетие про­изошла некоторая переоценка ценностей в отношении применения сборного и монолитного железобетона. В целом, с учетом значитель­ного повышения удельного веса транспортных расходов, необходи­мо добиваться взвешенного соотношения между сборным и моно­литным строительством за счет совершенствования технологии из­готовления конструкций из монолитного железобетона и развития сборно-монолитных конструктивных решений. Кроме того, моно­литное строительство требует меньших затрат на создание произ­водственной базы (на 40...45%).

Итогом обобщения научных исследований и опыта проектиро­вания явились действующие ныне нормы проектирования бетон­ных и железобетонных конструкций СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения».

 

Бетон

 

Общие сведения

 

Бетон как материал для железобетонных конструкций должен об­ладать определёнными, наперёд заданными физико-механическими свойствами: необходимой прочностью, хорошим сцеплением с ар­матурой, достаточной плотностью (непроницаемостью) для защиты арматуры от коррозии и др. Деформативность бетона не должна быть слишком большой.

Для изготовления бетонных и железо­бетонных конструкций предусмотрены следующие виды бетонов:

- тяжёлый, средней плотности свыше 2200 до 2500 кг/м³ (на плот­ных заполнителях);

- мелкозернистый, средней плотности свыше 1800 кг/м³ (на мелких заполнителях);

- лёгкий, плотной и поризованной структуры (на пористых запол­нителях);

- ячеистый, автоклавного и неавтоклавного твердения и др.

В качестве плотных заполнителей применяют щебень из дроблё­ных горных пород (песчаника, гранита, диабаза и др.) и кварцевый песок. Пористые заполнители могут быть естественными (перлит, пемза, ракушечник) или искусственными (керамзит, шлак и т.п.). В зависимости от вида пористых заполнителей различают керамзитобетон, шлакобетон, перлитобетон и т.д.

 

Структура (строение) бетона

В настоящее время в строительстве применяется много различных видов бетонов. Но для выполнения несущих конструкций зданий и сооружений наиболее широко используется тяжёлый бетон на це­ментном вяжущем и крупном плотном заполнителе из песчаника, гранита, диабаза и т. п. материалов со средней плотностью в преде­лах 2200 < ρ ≤ 2500 кг/м³. Его свойства и рассматриваются ниже.

Структура бетона оказывает большое влияние на его прочность и деформативность. Чтобы уяснить это, вспомним схему физико-химического процесса получения бетона.

Для приготовления бетона берут в определённых пропорциях заполнители (песок, щебень или гравий), вяжущее (цемент) и воду. Кро­ме того, для придания бетону различных свойств (например, моро­зостойкости) дополнительно в небольших количествах могут вво­диться различные добавки. Смесь заполнителей и вяжущего заливают водой. После затворения этой смеси начинается химическое взаимо­действие между частицами цемента и водой (гидратация), в резуль­тате чего образуется цементное тесто. При перемешивании такой смеси цементное тесто обволакивает частицы заполнителей и, постепен­но затвердевая, превращает всю массу в монолитное твёрдое тело, способное нести нагрузку.

Следовательно, бетон представляет собой неоднородный искус­ственный каменный материал. Следует обратить внимание на то, что даже сам затвердевший цементный раствор (цементный камень) имеет также неоднородную структуру и состоит из упругого кри­сталлического сростка, растущего с течением времени, и наполня­ющей его вязкой студенистой массы (геля), количество которой по­степенно уменьшается.

Таким образом, структуру бетона можно представить в виде про­странственной решетки из цементного камня (включающего кри­сталлический сросток, гель и большое количество пор и капилля­ров, содержащих воздух, водяной пар и воду), в котором хаотично расположены зёрна песка и щебня (рис. 6).

Рис. 6. Структура бетона:1 – цементный камень; 2 – щебень; 3 – песок; 4 – поры, заполненные воздухом и водой

Процесс твердения бетона при благоприятных температурно-влажност-ных условиях может длиться годами и носит затухающий характер. Этот процесс является экзотермическим, т.е. он идёт с выделением большого количества тепла.

Существенно важным фактором, влияющим на структуру и прочность бетона, является водоцементное отношение W/С – отно­шение веса воды к весу цемента в единице объёма бетонной смеси. Для успешного протекания реакции схватывания цемента и тверде­ния цементного камня необходимо, чтобы W/C ≥ 0,2. Однако для достижения хорошей удобоукладываемости бетонной смеси прихо­дится принимать W/C = 0,35...0,7, т.е. вводить воду с избытком. Излишек воды в дальнейшем постепенно испаряется, и в цементном камне образуются многочисленные каналы (называемыми ещё пора­ми или капиллярами), заполненные химически несвязанной водой, водяным паром и воздухом, которые оказывают давление на стенки. Это снижает прочность бетона и увеличивает его деформативность.

Общий объём пор в затвердевшем цементном камне достаточно велик и составляет при обычных условиях твердения бетона пример­но 25...40% от его видимого объёма. Причём, размеры поперечного сечения пор весьма малы: 60...80% от общего количества всех пор имеют размеры поперечного сечения, не превышающие 0,001 мм. С уменьшением W/C пористость цементного камня уменьшается, а прочность бетона повышается. Кроме того, бетоны из жёстких смесей (W/C = 0,3...0,4) при прочих равных условиях обладают меньшей деформативностью, требуют меньшего расхода цемента.

Процессы постепенного уменьшения объёма геля, кристаллооб­разования, испарения избыточной воды, происходящие в бетоне в те­чение длительного времени, обусловливают ряд его специфических свойств: изменение прочности во времени, усадку, ползучесть.

 

Прочность бетона

Прочность бетона определяется его сопротивлением различным си­ловым воздействиям – сжатию, растяжению, изгибу, срезу. Один и тот же бетон имеет разное временное сопротивление при различных силовых воздействиях. Исследования показали, что теории прочно­сти, предложенные для других материалов, к бетону не применимы. Поэтому количественная оценка прочности бетона в настоящее вре­мя основывается на осреднённых опытных данных, которые прини­маются в качестве исходных при проектировании любых бетонных и железобетонных конструкций.

Отсутствие закономерности в расположении отдельных частиц, составляющих бетон, приводит к тому, что при испытании образ­цов, изготовленных из одной и той же бетонной смеси, получают различные показатели временного сопротивления – разброс проч­ности. Кроме того, необходимо помнить, что механические свойства цементного камня и заполнителей существенно отличаются друг от друга; к тому же структура бетона изобилует дефектами, которыми, помимо пор, являются пустоты около зёрен заполнителя, возника­ющие при твердении бетона.

Прочность бетона на осевое сжатие считается основной его характеристикой, так как наиболее ценным качеством бетона явля­ется его высокая прочность на сжатие. В лабораторных усло­виях она может определяться на образцах в форме кубов, призм или цилиндров. У нас в стране для оценки прочности бетона при сжа­тии используют преимущественно кубы.

Так как бетон представляет собой неоднородный искусственный каменный материал, то для получения достоверных сведений о его прочности в соответствии с действующими стандартами испытыва­ют партию образцов и определяют (средний предел прочности на осевое сжатие бетонных кубов с ребром 150 мм) и (средний предел прочности на осевое сжатие эталонных бетонных образцов призм).

Кубиковая прочность. При осевом сжатии кубы (как и другие сжатые образцы) разрушаются вследствие разрыва бетона в попе­речном направлении. Наклон трещин обусловлен влиянием сил тре­ния, которые развиваются на контактных поверхностях между по­душками пресса и опорными гранями куба (рис. 7, а). Силы трения, направленные внутрь, препятствуют свободным поперечным дефор­мациям бетона вблизи опорных поверхностей и тем самым повыша­ют его прочность на сжатие (создаётся эффект обоймы). Удержи­вающее влияние сил трения по мере удаления от торцевых граней куба уменьшается, поэтому после разрушения куб приобретает фор­му четырех усеченных пирамид, сомкнутых малыми основаниями. Если при осевом сжатии куба удаётся устранить или значитель­но уменьшить (с помощью смазки контактных поверхностей, на­пример, парафином или картонных прокладок) влияние сил опор­ного трения, то характер его разрушения и прочность изменяют­ся (рис. 7, б).

 

 

Рис. 7. Характер разрушения бетонных кубов:

а – при наличии трения по опорным плоскостям; б – при отсутствии трения; 1 – силы трения; 2 – трещины; 3 – смазка

 

В этом случае поперечные деформации проявляют­ся свободно и трещины разрыва становятся вертикальными, параллельными действию сжимающей силы, а временное сопротивление бетона сжатию существенно уменьшается. Согласно стандарту кубы испытывают без смазки контактных поверхностей и при отсутствии прокладок.

Опытами установлено, что прочность бетона одного и тог