Лекция 18. Железобетон. Арматура.

Сущность железобетона. Железобетон состоит из бетона и стальной арматуры, рационально расположенной в конструкциях для воспринятая растягивающих, а в ря­де случаев —сжимающих усилий. Бетон, будучи искус­ственным камнем, хорошо сопротивляется сжатию и зна­чительно хуже (в 10...20 раз) — растяжению. Эта особен­ность бетона наиболее неблагоприятна для изгибаемых и растянутых элементов, широко распространенных в зда­ниях и сооружениях. Так, при приложении нагрузки в верхней зоне сечения балки возникает сжатие, в ниж­ней— растяжение. Когда напряжения в рас­тянутой зоне достигнут предельного сопротивления бетона растяжению, образуется трещина и происходит хруп­кое разрушение балки задолго до того, как будет исполь­зована прочность бетона на сжатие. Несущая способ­ность такой балки ограничена низким сопротивлением бетона растяжению. Отмеченное обстоятельство сильно сужает область применения неармированного бетона, де­лая его рациональным главным образом в сжатых эле­ментах.

Армирование (усиление) растянутой зоны изгибае­мых элементов материалами, обладающими значительно более высокой прочностью на растяжение, чем бетон, по­зволяет существенно повысить их несущую способность. Таким материалом чаще всего является сталь, а конст­рукции, полученные на основе рационального объедине­ния бетона и стали при условии обеспечения их совмест­ной работы, называются железобетонными.

Предварительно напряженный бетон. Идея предварительного напряжения родилась около ста лет назад и заключается в том, что­бы предварительно натянуть арматуру и закрепить ее в таком состоянии, а после укладки и твердения бетона отпустить ее. При этом арматура, стремясь сократиться, обжимает бетон. Конструкции такого типа и называются предварительно напряженными.

Совместная работа арматуры и бетона. Усиление бетонных элементов арматурой возможно, если обеспече­на их совместная работа. Опыты показывают, что и в этом смысле сталь является практически идеальным партнером бетона. Это обусловлено в первую очередь следующими обстоятельствами:

1) хорошим сцеплением бетона и арматуры;

2) бетон и сталь обладают близкими коэффициентами температурной деформации, вследствие чего в обычных условиях эксплуатационные качества конструкций не снижаются;

3) бетон при соблюдении определенных требований является надежной защитой арматуры от корро­зии, высоких температур, механических повреждений.

К основ­ным преимуществам железобетона, обеспечивающим ему широкое распространение в строительстве, относятся: ог­нестойкость, долговечность, высокая механическая проч­ность, хорошая сопротивляемость сейсмическим и другим динамическим воздействиям, возможность возводить конструкции рациональной формы, малые эксплуатаци­онные расходы (по сравнению с деревом и металлом), хорошая сопротивляемость атмосферным воздействиям, возможность использования местных материалов.

■ Способы изготовления и возведения железобетон­ных конструкций. Различают железобетонные конструк­ции монолитные, сборные и сборно-монолитные.

При возведении монолитных железобетонных кон­струкций на месте строительства устанавливают опалубку (форму), в нее укладывают арматуру и бетонную смесь. После достижения бетоном необходимой прочности опа­лубку снимают, получая монолитную конструкцию.

Сборные железобетонные конструкции производят на заводе и доставляют на строительную площадку для дальнейшего сбора конструкций в конструкцию здания или сооружения.

Наряду с железобетонными применяют также бетон­ные конструкции, в которых арматура либо совсем от­сутствует, либо устанавливается в очень небольших ко­личествах и не учитывается расчетом (фундаментные и стеновые блоки,

Классификация бетонов.

Бетон для железобетонных конструкций должен обладать необходимой прочностью, Хорошим сцеплением с арматурой, достаточной плотно­стью для защиты арматуры от коррозии. В зависимости от назначения сооружения бетон также должен удовлетворять специальным требованиям, морозостойкости, жаростойкости при длительном воздействии высоких температур, коррозионной стойкости при агрессивном воздействии среды, водонепроницаемости и др.

Бетоны классифицируют по следующим признакам: по основному назначению — конструкционные, специальные; по виду вяжущего — цементные, силикатные, шлаковые и т.д.; по виду заполнителей — плотные, пористые, на специальных заполнителях; по структуре — плотные, поризованные, ячеистые, крупнопористые.

Для удобства введены сокращенные наименования основных видов бетонов: тяжелый бетон — плотной структуры, на цементном вяжущем и плотных крупных и мелких заполнителях; легкийбетон — на цементном вя­жущем, пористом крупном и пористом или плотном мел­ком заполнителе. В качестве плотных заполнителей для тяжелого бетона применяют щебень из дробленых горных пород и природный кварцевый песок. Пористые за­полнители могут быть естественные — пемза, ракушеч­ник и т.п. или искусственные —керамзит, шлак и т.п.; Оба указанных вида бетона используют для несущих конструкций зданий и сооружений.

Существуют также специальные виды бетонов: жаро­стойкие — предназначенные для использования в конструкциях, эксплуатирующихся при 200°С; химически стойкие — используемые в условиях агрессивных сред; напрягающие (на основе напрягающего цемента) — предназначенные для создания предварительного напря­жения в конструкциях; радиационно-защитные большой массы —применяемые для биологической защиты от излучений и т.п.

В последние годы распространение полу­чают бетонополимеры, представляющие собой обычные бетоны, пропитанные полимерами или мономерами с их последующим отверждением, и полимербетоны, вкото­рых в качестве вяжущего используют полимеры. Эти бе­тоны обладают повышенной прочностью, особенно на растяжение, и высокой химической стойкостью, однако имеют пока относительно высокую стоимость, низкий модуль деформаций (у полимербетонов) и не­применимы в сооружениях с повышенной темпера­турой.

Для дорожных и аэродромных покрытий, полов пром-зданий и т. п. находят применение бетоны, дисперсно ар­мированные волокнами (стальными, синтетическими и др.). Этот вид бетона, называемый фибробетоном, обладает повышенной растяжимостью и сопротивляемо­стью ударным воздействиям.

Прочность бетона. Прочность бетона зависит от ря­да факторов, основными из которых являются: время и условия твердения, вид напряженного состояния, фор­ма и размеры образцов, длительность нагружения.

Прочность бетона нарастает с течением времени.Наиболее интенсивный ее рост происходит в начальный период твердения (28 сут. для портландцементе). В даль­нейшем нарастание прочности замедляется, но при поло­жительной температуре и влажной среде продолжается еще годы.

Бетон имеет различную прочность при разных сило­вых воздействиях.

Кубиковая прочность R — временное сопротивление сжатию бетонных кубов. При осевом сжатии кубы (как и другие сжатые образцы) разрушаются вследствие раз­рыва бетона в поперечном направлении. Согласно ГОСТу кубы испыты­вают без смазки поверхностей. Вследствие влияния сил трения прочность кубов зависит от их размеров. Чем меньше размер куба, тем больше его прочность.

Призменная прочность R_b временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм. Опыты показывают, что с увеличением высоты призмы влияний трения на прочность образца уменьшается. Значение R_b применяют в расчетах прочности сжатых и изгибаемых элементов.

Прочность при растяжении R_bt зависит от прочности цементного камня и сцепления его с заполнителем. При осевом растяжении прочность бетона в 10...20 раз меньше прочности на сжатие. При этом с увеличением кубиковой прочности относительная прочность бетона при растяжении уменьшается.

Деформативность бетона. Деформации могут быть силовые, развивающиеся под действием внешних сил, и температурно-влажностные, развивающиеся, в резуль­тате взаимодействия бетона с внешней средой.

Деформации бетона под нагрузкой. Различают си­ловые деформации при однократном кратковременном, длительном, а также многократно-повторном нагружениях.

Ползучестью называют свойство бетона увеличи­вать неупругие деформации при длительном действии постоянной нагрузки. Различают ползучесть линейную и нелинейную.

Класс бетона по прочности на сжатие (для тяже­лых бетонов): В3,5; Б5; В7,5; BIO; BI2,5; B15; В20; Б25; ВЗО; В35; В40; В45; В55; В60 —основная характеристи­ка, устанавливаемая в результате испытаний-кубов с реб­ром 15 см после выдержки в течение 28 сут в нормаль­ных условиях (t= (20±2) ⁰С, W≥60 %).

Класс бетона по прочности на растяжение (Вt0,8; Вt1,2; Вt;1,6; Вt2; Вt2,4; Вt2,8; Вt3,2) устанавливают для конструкций, работающих преимущественно на растяже­ние (резервуары, водонапорные трубы).

Проектные марки по морозостойкости (F50...F500) устанавливают для конструкций, подвергающихся много­кратному замораживанию и оттаиванию (градирни, гид­ротехнические сооружения). Эта марка характеризуется количеством циклов замораживания и оттаивания, кото­рые выдерживает бетон в насыщенном водой состояний при снижении прочности не более чем на 15 %.

Марки по водонепроницаемости (W2...W12) назна­чают для конструкций, к которым предъявляются требо­вания непроницаемости, они характеризуют давление во­ды (в кгс/см²), при котором еще не наблюдается проса­чивание ее через испытываемый стандартный образец толщиной 15 см.

Марки по средней плотности (для тяжелых бетонов D230G...D2500, для мелкозернистых бетонов D1300......D2400, для легких бетонов D800...D2100) назначают для бетонов, к которым предъявляются требования теплоизо­ляции.

Для железобетонных конструкций не применяют бето­ны (тяжелые) класса ниже В7,5. Оптимальные класс и марки бетона выбирают па основе технико-экономического анализа с учетом условий эксплуатации. Наиболее широко используют¹, для изгибаемых элементов без пред­варительного напряжения В15...В20, для сжатых элемен­тов: колонн B25...B30, ферм, арок Е30...Е35.