Железобетон и изделия на его основе

Бетон – анизотропный материал с высокой прочностью при сжатии и значительно меньшей прочностью при растяжении. Чтобы восполнить этот недостаток и предотвратить разрушение бетонных конструкций растягивающими усилиями, в них вводят стальную арматуру с высоким сопротивлением растяжению (предельная растяжимость стали в 3...6 раз больше, чем у бетона). При изгибе строительных конструкций на различных участках возникают противоположные напряжения – растягивающие и сжимающие. Сталь воспринимает первые из них, а бетон – вторые. В результате железобетонная конструкция успешно противостоит как сжимающим, так и растягивающим нагрузкам.

Материал, в котором бетон и стальная арматура, соединенные взаимным сцеплением, работают под нагрузкой совместно, называется железобетоном. Совместная работа стали и бетона обеспечена тем, что бетон прочно сцепляется со стальным стержнем. Коэффициенты температурного расширения бетона и стали близки друг к другу, поэтому температурные деформации не вызывают нежелательных напряжений.

Само слово «арматура» в переводе с латыни означает «вооружение», т.е. стальная арматура как бы вооружает, укрепляет бетон. Каменные конструкции, армированные металлом, были известны давно, но в современном виде железобетон появился лишь во второй половине XIX в., когда было освоено промышленное производство портландцемента. Патент на производство железобетона был выдан французу Ж. Монье в 1867 г. Первоначально железобетон применялся довольно ограничено. В настоящее время это основной конструкционный материал в жилищном и промышленном строительстве.

Смысл армирования можно пояснить на элементах, работающих на изгиб (балках, ригелях). В таких элементах часть поперечного сечения элемента подвергается сжатию, а другая – растяжению. Если балку изготовить из неармированного бетона, то вследствие низкой его прочности при растяжении (1…4 МПа) уже под небольшой нагрузкой бетон в растянутой зоне растрескается (рис. 40, а) и балка разрушится. Если же в растянутую зону ввести стальную арматуру, то она примет на себя растягивающие напряжения (прочность растяжения стали более 200 МПа), и балка, хотя на ней и могут появиться трещины, не разрушается даже при больших нагрузках (рис 40, б). В ряде случаев армируют элементы, работающие на сжатие (колонны, сваи), так как на сжатие сталь в 5…10 раз прочнее бетона.

Причиной, почему арматура принимает на себя бóльшую часть нагрузки, является различие в модулях упругости стали (2·10⁵ МПа) и бетона (2·10⁴ МПа). Из-за того, что модуль упругости стали в 10 раз выше модуля упругости бетона, при нагружении железобетонного элемента сталь и бетон получают одинаковые деформации, но напряжения в них, в соответствии с законом Гука, будут разные. В стали они будут в 10 раз выше, чем в бетоне. Иными словами, 2 см² сечения стали заменят 10 см² бетона [31, 32].

По характеру работы в железобетонных конструкциях арматуру подразделяют на рабочую и монтажную. Рабочая воспринимает усилия от внешних нагрузок и собственной массы конструкции, обеспечивает прочность и надежность при эксплуатации; монтажная служит для сборки каркаса и обеспечивает заданное положение рабочей арматуры при бетонировании. К монтажной арматуре относятся монтажные петли, крюки, закладные детали.

Для увеличения сцепления арматуры с бетоном на концах гладких стержней устраивают крюки, придают арматуре периодический профиль, различные рифления, применяют сварные сетки, используют некоторые разновидности стальных анкеров и т.п.

Основной вид арматуры для производства железобетона в строительной индустрии до 90-х годов прошлого века был освоен на металлургических заводах по ГОСТ 5781. Этот арматурный профиль (рис. 41, а) прокатывается с нанесением рифления на поверхность круглого сердечника и имеет кольцевые поперечные ребра, пересекающиеся с продольными ребрами.

Рис. 41. Виды арматуры:

а – кольцевого профиля; б – серповидного профиля;

в – профиля, разработанного И. Н. Тихоновым

С 1990 г. многие металлургические заводы стран СНГ, производящие арматурный прокат для строительства, начали массовое освоение зарубежных рынков сбыта своей продукции, ориентируясь при этом на требования стандартов стран-покупателей арматурной стали. Основные производители арматуры в СНГ перешли на выпуск нового проката с периодическим профилем европейского образца по СТО АСЧМ 7–93 и ГОСТ 1088–94 (рис. 41, б). В странах Европы и СНГ серповидный профиль широко используется и выполняется согласно нормам EN–10080–1 (1998). По сравнению с кольцевым серповидный профиль способствует формированию более высоких (выше на 4…8 %) прочностных и пластических свойств при прокатке, не имеет концентраторов напряжений в виде пересечений, однако имеет худшие показатели, характеризующие прочность и жесткость сцепления с бетоном. Многочисленными исследованиями доказано, что в массивных конструкциях с большой толщиной защитного слоя бетона экономически целесообразно применять кольцевой профиль из-за его высокой анкерующей способности. В конструкциях тонкостенных, особенно предварительно напряженных, объективно применение арматуры серповидного профиля для обеспечения высокой степени их эксплуатационной надежности.

В 2002 г. руководителем Центра проектирования и экспертизы НИИЖБ (Москва) И. Н. Тихоновым было найдено оригинальное компромиссное решение, которое позволяет в основном разрешить противоречия между профилями по ГОСТ 5781 и СТО АСЧМ 7–93. Новый арматурный профиль по своей конструкции и взаимодействию с бетоном выгодно отличается от кольцевого и серповидного главным образом из-за чередования по длине стержня вершин смежных серповидных поперечных ребер во взаимно перпендикулярных осевых плоскостях (рис. 41, в). Он обеспечивает высокую жесткость и прочность сцепления при низкой распорности в бетоне. На рис. 42 показаны внешне разнообразные виды холоднодеформированной арматуры. Виды арматурных сеток и каркасов и типы закладных деталей сборных железобетонных элементов представлены на рис. 43, 44.

Рис. 42. Виды холоднодеформированной арматуры

В зависимости от способа армирования различают железобетонные изделия с обычной и предварительно напряженной арматурой. При обычном армировании производится укладка в бетон стальных стержней, сеток или каркасов. Однако при изгибе такой способ армирования не предохраняет от образования трещин в растягиваемой зоне бетона. Чтобы предельная деформация наступала в бетоне и стали одновременно, нужно соединить бетон с частично растянутой арматурой. Это достигается ее предварительным напряжением.

При напряжении арматуру после укладки в форму растягивают тем или иным способом, закрепляют в растянутом состоянии и после заполнения формы бетонной смесью и ее затвердевания освобождают от растяжения. При этом арматура сокращается и увлекает сцепившийся с нею бетон, обжимая железобетонный элемент в целом.

Таким образом, цель натяжения арматуры – создание в бетоне предварительного обжатия, превышающего растягивающее напряжение, возникающее при эксплуатации бетона. При нагрузке предварительно напряженные изделия растягивающей или изгибающей силой арматура будет продолжать упруго растягиваться и воспринимать усилия (так как при натяжении арматуры используется далеко не весь предел ее прочности). При этом напряжения сжатия в бетоне начнут уменьшаться, достигнут нулевого значения и только уже близко к пределу разрушения конструкции возникнут растягивающие усилия, причем значительно меньшие, чем в бетоне, армированном без предварительного напряжения. Трещины образуются значительно позже, а величина их меньше.

Рис. 43. Виды арматурных сеток и каркасов
а, б, в – плоские; г, д, е – пространственные; ж – круглый; и – гнутый

Рис. 44. Типы закладных деталей сборных железобетонных элементов

Предварительное напряжение позволяет применять для армирования высокопрочную сталь, снижая расход металла в 2…2,5 раза. Соответственно используется и бетон повышенной прочности, что дает возможность уменьшить сечение конструкции. В предварительно напряженных железобетонных конструкциях более полно используется прочность стали и бетона, поэтому уменьшается масса изделий. Кроме того, предварительное обжатие бетона, препятствуя образованию трещин, повышает его долговечность и непроницаемость. Пониженный расход металла, меньшая масса и повышенная трещиностойкость предварительно напряженного бетона обеспечили широкое его распространение. В России, где впервые в мире было начато серийное заводское производство сборных, предварительно напряженных конструкций, темпы роста их производства были исключительно высоки и значительно опережали темпы роста производства всего сборного железобетона.

Натяжение арматуры производится двумя способами: механическим – с помощью домкратов и других натяжных машин и электротермическим – с нагревом арматурных элементов электрическим током. После нагрева формы, закрепленные на жестких упорах, остывают, сжимаются и в них возникают необходимые напряжения. Электротермический способ является более экономичным и производительным.

В современном строительстве бетон и железобетон – основные строительные материалы. Благодаря универсальности и комплексу ценных свойств железобетонные конструкции на тяжелых и легких бетонах используются для строительства всех типов зданий и инженерных сооружений. Так, массовое строительство жилых зданий осуществляется из сборного железобетона, причем из него выполняют все элементы здания. В многоэтажных кирпичных зданиях фундаменты и перекрытия – железобетонные. Промышленные здания и инженерные сооружения в основном возводят из железобетона.

Широкое применение железобетона обеспечивает экономию металла и древесины в строительстве, способствует повышению эффективности труда и темпов строительных работ. В зависимости от способа изготовления железобетонные конструкции могут быть монолитными и сборными.

Монолитный железобетон. Так называют железобетон, изготовляемый непосредственно на строительной площадке. На месте возведения конструкции устанавливают опалубку. Назначение опалубки – придать бетонной смеси при ее укладке форму будущей конструкции. Опалубку выполняют из древесины, фанеры, стали или различных их комбинаций. Обычно применяют разборно-переставную опалубку из мелких или крупных щитов.

В опалубку укладывают арматуру, затем заливают бетонную смесь. Последнюю уплотняют глубинными или поверхностными вибраторами, навешиваемыми на опалубку.

Бетон после укладки первые 7…10 дней необходимо защищать от высыхания, а зимой – от замерзания. В противном случае не будет достигнута требуемая прочность. Бетон твердеет обычно естественным путем, зимой возможен его подогрев. Опалубку снимают до достижения бетоном достаточной прочности, чаще всего через 7…10 дней.

В последние годы монолитный железобетон применяют все шире. Из него возводят здания и сооружения, не поддающиеся разделению на однотипные элементы, при особо больших или динамических нагрузках на конструкции зданий и сооружений (например, фундаменты и каркасы многоэтажных жилых и промышленных зданий, особенно в сейсмических районах), гидротехнические сооружения и т.п.

С каждым годом расширяется строительство из монолитного бетона городских и сельских жилых зданий. Особенно эффективно такое строительство в случае применения специально изготовленной металлической опалубки многократного использования, что позволяет добиться большой точности изготовления строительных конструкций при низких трудозатратах.

Для монолитного строительства используются тяжелые и легкие бетоны на быстротвердеющих цементах. При правильной организации труда скорость строительства из монолитного бетона не уступает скорости монтажа из сборных элементов.

комплекс «Охотный ряд» (справа)

За последние годы в городах России построено много нестандартных сооружений из монолитного бетона, в том числе и такие уникальные, как храм Христа Спасителя, подземный торговый комплекс на Манежной площади в Москве и др. (рис. 45). В монолитных конструкциях более эффективно достигаются необходимые эксплуатационные качества зданий: герметизация наружных стен, звукоизоляция, огнестойкость, долговечность.

Сборный железобетон.Сборные железобетонные изделия и конструкции представляют собой крупноразмерные элементы, изготовляемые на заводе или полигоне домостроительного комбината. Основное преимущество таких конструкций – высокомеханизированные и автоматизированные методы их изготовления; на стройплощадке эти элементы только монтируют, что резко сокращает сроки строительства, повышает производительность труда и позволяет широко применять новые эффективные материалы (легкие и ячеистые бетоны, отделочную керамику, пластмассы).

Для изготовления сборных железобетонных конструкций применяют все основные виды бетона: тяжелые, легкие и ячеистые. Бетоны часто применяют в сочетании с материалами специального назначения (теплоизоляционными, звукоизоляционными, гидроизоляционными, антикоррозионными), которые значительно улучшают эксплуатационные качества сборных конструкций и повышают их долговечность.

Из сборного железобетона изготовляют все части зданий: фундаменты, стены подвала, наружные и внутренние стены, элементы каркаса, междуэтажные перекрытия, кровлю, лестницы и др. Сборный железобетон является наиболее индустриальным видом строительной технологии. Именно сборный железобетон обеспечил решение жилищной проблемы в нашей стране.