Железобетон — изделия, конструкции

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Железобетон — комплексный строительный материал с конгло­мератным типом структуры, в котором бетон и стальная арматура замоноличены взаимным сцеплением и работают под нагрузкой как единая система. Бетон в ней воспринимает сжимающие усилия, а стальная арматура — растягивающие, поскольку аналогично дру­гим каменным искусственным и природным материалам бетон сопротивляется разрыву в 10—15 раз слабее, чем сжатию. Строите­льные конструкции зданий и сооружений, выполненные из железо­бетона, называются железобетонными. В обычных случаях стальная арматура в них свободно размещается в зонах повышенных растяги­вающих усилий, но в современном строительстве она, кроме того, подвергается предварительному натяжению путем приложения сил по ее растяжению. Такие железобетонные конструкции становятся предварительно напряженными. В них стальная арматура, оставаясь в пределах упругих деформаций (85—90% предела текучести стали), стремится вернуться в свое недеформированное состояние после от­пуска натяжных приспособлений. Это стремление выражается в об­жатии зон бетона, в которых под воздействием внешних сил возник­ли растягивающие усилия. Обжатие упрочняет бетон на растяжение и изгиб (рис. 9.18), что благоприятствует упрочнению всей конст­рукции.

Предварительное натяжение арматуры осуществляют либо до бетонирования конструкции или изделия, либо после этого. В пер­вом случае арматуру сначала натягивают, концы ее прочно закреп­ляют в бортах формы изделия, после чего бетонируют форму. После отвердевания уплотненной бетонной смеси арматуру освобождают от натяжного устройства. Во втором случае арматуру располагают в каналах бетонной конструкции, созданных ранее с помощью спе­циальных пустотообразователей, и натягивают ее после того, как бетон приобретет необходимую (расчетную) прочность. Затем натя­нутую арматуру заанкеривают на концах конструкции, а каналы замоноличивают цементным раствором или бетонной смесью.

Натяжение арматуры производят механическим путем (домкра­тами) или методом электротермического воздействия.

Железобетонные изделия и конструкции выполняют из монолит­ного, сборного и сборно-монолитного железобетона. Монолитные бетонируют в опалубке на месте строительных работ; сборные изго­товляют на заводах сборного железобетона и в готовом виде доставляют на строительную площадку для их монтажа при возве­дении зданий или сооружений. С каждым годом возрастает количе­ство сборно-монолитного железобетона, под которым понимается рациональное сочетание этих двух разновидностей, работающих под нагрузкой как единая железобетонная система. Сборный железобетон одновременно выполняет и функции своеобразной опалубки для монолитного железобетона, который в свою очередь обеспечивает необходимую пространственную жесткость. Такие конструкции особенно целесообразны для зданий и сооружений тяжелыми и динамическими нагрузками, в районах высокой сей­смичности, в тепло- и гидростанциях и т. п. Для изготовления желе­зобетона используют не только тяжелый, но также легкие, в том числе ячеистые бетоны. Их основой могут быть портландцемент, известково-кремнеземистое вяжущее вещество (силикатные бетоны) и др. Соответствующие же­лезобетонные изделия мо­гут быть сплошными и пустотелыми, иметь раз­личные типоразмеры. По назначению железобетон­ные изделия и конструк­ции разделяют для жилых и общественных зданий; промышленных зданий; инженерных сооружений; изделия общего назначе­ния. В строительных объ­ектах широко используют железобетонные перекры­тия, ограждающие (стено­вые) и несущие перегоро­дочные панели, ленточ­ные марши и площадки, фундаментные плиты, блоки.

 

В каркасно-панельных зданиях основной несу­щей конструкцией служит железобетонный каркас. Он состоит из колонн и горизонтальных связей - ригелей. Плиты перекры­тий опираются на ригели, при безригельной схе­ме — на колонны, в бес­каркасных зданиях — на крупные плитные элемен­ты: панели стен, перего­родок и перекрытий. Продолжает развиваться строительство домов и из сборных элементов с монтажом их на строительных площадках. Здесь могут быть особо уместными так называемые трехслойные па­нели системы «Пластбау» для стен и перекрытий (рис. 9.19). Пено-полистирольный элемент является одновременно и опалубкой, и утеплителем. Слой конструктивного железобетона расположен меж­ду двумя слоями теплоизолятора. Элементы «Пластбау» имеют мас­су 2,5 кг/м³, плотность 25—30 г/л, звукопоглощение 40 дБ, коэффи­циент теплопередачи 0,25 ккал/м²ч∙К. Расход энергозатрат на обо грев таких домов снижается в 3—5 раз по сравнению с традицион­ными домами с железобетонными каркасами.

Санитарно-технические элементы для сети водопровода, канали­зации, отопления и вентиляции, мусоропроводов также при необхо­димости выполняют на основе железобетона. Металлические трубы водопроводной и канализационной сети, трубы горячего водоснаб­жения замоноличивают (в процессе изготовления на заводе) в тело железобетонных блоков и панелей. Такие изделия и детали к ним, доставленные на строительную площадку, позволяют собрать кана­лизационную или водопроводную сеть путем стыкования замоноли-ченных в них металлических труб.

В качестве элементов вытяжной вентиляции применяют блоки в виде прямоугольных железобетонных изделий с круглыми или пря­моугольными отверстиями. Ширина таких блоков зависит от числа вытяжных отверстий, а длина — от высоты помещения.

К достижениям сборного железобетона в санитарной технике, значительно ускоряющим процесс монтажа зданий, относится при­менение готовых кабин санитарных узлов. Санитарно-технические кабины доставляют на строительную площадку в законченном виде и после установки включают в общую сеть канализации, горячего и холодного водоснабжения.

В промышленных большепролетных зданиях используют разно­образные своды-оболочки, в том числе двойной кривизны, винто­вые (висячие) конструкции тонкостенных покрытий, цилиндриче­ские и щедовые оболочки и другие пространственные покрытия. Перекрытия многоэтажных производственных и общественных зда­ний устраивают по балочной или безбалочной схемам. В них при­сутствуют разрезные и неразрезные прогоны различного сечения (прямоугольного, таврового, двутаврового и др.), а также колонны, ригели и др.

Из сборного железобетона возводят и специальные сооружения: резервуары, водонапорные башни, бункера, силосы, дымовые тру­бы, напорные и безнапорные трубы, градирни и т. п. На атомных электростанциях устанавливают железобетонные ограждения про­тив радиации. Ассортимент сборных и монолитных железобетон­ных конструкций и изделий поистине неисчерпаем. В частности, в тонкостенных элементах несущих и ограждающих конструкций на­ходят возрастающее применение армоцементные материалы. Армо-цемент — конгломератный материал, в котором мелкозернистый (песчаный) бетон и тонкая равномерно распределенная по его сече­нию сетчатая стальная арматура работают под нагрузкой как одна монолитная система. Такой материал используют при изготовлении тонких плит (скорлуп) в пространственных покрытиях зданий и соо­ружений. Этому благоприятствует надежное сочетание прочного и плотного песчано-цементного бетона с пакетом тонких плетеных или сварных проволочных сеток. Армоцемент обладает более высо­кой трещиностойкостью, огнестойкостью, водонепроницаемостью и морозостойкостью, чем обычный железобетон. Его использование в строительстве позволяет снизить массу конструкций и затраты ма­териально-энергетических ресурсов.

Широкое применение железобетона обеспечивает экономию ме­талла и древесины в строительстве, способствует повышению эф­фективности труда и темпов строительных работ. Этот материал продолжает оставаться основным для современного капитального строительства, а теория железобетона развивается и совершенству­ется как в нашей стране, так и за рубежом. Исходным положением теории остается совместная работа бетона и стальной арматуры в конструкции. Оно основано на следующем: сталь и бетон при изме­нении температуры в интервале от 0°С до 80°С имеют практически одинаковые коэффициенты линейного расширения, равные 0,00001[44]; между бетоном и арматурой возникают в процессе отвердевания же­лезобетона значительные силы сцепления, препятствующие сколь­жению арматуры в бетоне (для бетонов средних марок напряжение сцепления равно 2,5∙1,0 МПа); стальная арматура достаточно на­дежно защищена бетоном от коррозии даже при возникновении тре­щин до 0,3 мм в растянутых зонах, так как вокруг арматуры щелоч­ная среда создает защитную пленку.

Для увеличения сцепления на концах гладких стержней устраи­вают крюки, придают арматуре периодический профиль, применя­ют сварные сетки, используют некоторые разновидности стальных анкеров (коротыши, шайбы, кольцевые петли и др.). При температу­рах свыше 100°С прочность железобетона снижается: при 200—250°С — на 25%, при 500—600°С бетон теряет прочность и раз­рушается. Чтобы защита арматуры от коррозии (и высоких темпе­ратур) была более эффективной, защитный слой бетона устраивают в растянутых зонах конструкций от 10 до 30 мм, что также благо­приятствует и повышению сцепления арматуры с бетоном.

ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

 

Для сборного железобетона используют цементные бетоны клас­сов В15 и В20 (марок М200 и М3ОО); для напряженно-армированных конструкций наиболее целесообразны бетоны классов В45 и В50 (марок М400 и М500) и выше. В качестве вяжущих веществ для предварительно напряженных бетонов применяют быстротвердеющие и особо быстротвердеющие цементы, позволяющие значитель­но сократить продолжительность тепловлажностной обработки.

Армируют железобетон­ные конструкции стальной арматурой в виде стержней и проволоки (рис. 9.20). Стержневая арматура мо­жет быть горячекатаной, термически упрочненной и упрочненной в холодном состоянии. Арматурные стержни используют глад­кого или периодического профилей. Периодический профиль арматуры получа­ют при горячей прокатке или сплющиванием стерж­ней в холодном состоянии на специальных станках. В зависимости от механиче­ских свойств горячеката­ную арматуру разделяют на классы: A-I (гладкая), А-II, A-III, A-IV и A-V (периодического профиля). Армату­ра может иметь специаль­ное назначение классов AT-IVc и AT-Vc и диаметр до 32 мм.

 

 

Для армирования желе­зобетонных конструкций применяют свариваемые стержни диаметром от 6 до 80 мм. Арма­турную холоднотянутую проволоку изготовляют гладкой (классов В-1 и В-2) или периодического профиля (классов Вр-I и Вр-II). При использовании напрягаемой арматуры отдается предпочтение клас­сам A-V, A-VI, Ат-V и Ат-VI, а также высокопрочной проволоке и получаемым из нее канатам. Широкое применение получили плос­кие и пространственные арматурные сетки.

Кроме рабочей арматуры (обычной и предварительно напряжен­ной) при изготовлении железобетонных изделий и конструкций ис­пользуют арматуру монтажную и распределительную. Количество рабочей арматуры устанавливают расчетом; монтажной и распреде­лительной — по конструктивным соображениям. Продольные рабо­чие стержни, укладываемые в зоны растягивающих напряжений, объединяют поперечной арматурой в каркасы, опирающиеся на специальные фиксаторы. При стыковании сборных конструкций и из­делий используют стальные закладные детали, выполняемые из фасонного проката или в виде фасонных сварных профилей. Их изготовляют из стали класса A-I или других хорошо сваривающихся сталей. Листы должны быть толщиной не менее 4 мм; при уменьше­нии толщины во время сварки получаются «прожоги». В табл. 9.8 приведены характеристики наиболее широко употребляемой сталь­ной арматуры.

Таблица 9.8. Характеристики стальной арматуры

Класс арматуры	Марка стали	Диаметр, мм	Нормативные значения
предела текучести, МПа, не менее	временного сопротивления разрыву, МПа, не менее
A-I	Ст. 3 сп3	6—40		—
А-П	ВСт5 сп2	10—40		—
	10 ГТ	10—32		—
A-III	35ГС	6—40		—
	25Г2С	6—40		—
A-IV	80С	10—18		—
	20ХГ2Ц	10—22		—
A-V	23Х2Г2Т	10—22		—
Ат-IV	—	10—25		—
Ат-V	—	10—25		—
Ат-VI	—	10—25		—
B-I	—	3—5	—
Вр-I	—	3—5	—	500—525
B-II	—	3—8	—	1900—1400
Вр-II	—	3—8	—	1800—1300

 

Кроме стальной арматуры в последнее десятилетие получила распространение во многих странах (США, Японии, Германии, Ан­глии, Франции, Финляндии) неметаллическая арматура, в которой применяют углеродные, борные и другие виды волокон. В нашей стране в основном используется стеклопластиковая арматура, изго­товляемая из алюмоборосиликатных волокон и применяемая в предварительно напряженных конструкциях взаимен высокопроч­ной проволоки Вр-П и канатов. Представляет интерес изготовление базальто-пластиковой арматуры для армирования ненапрягаемых конструкций. Конструкции из такой арматуры долговечнее, чем со стальной. Связующее вещество склеивает волокна в монолитный стержень, работающий как единый элемент, защищенный от меха­нических повреждений, влаги, агрессии.