ГЛАВА 12. ЖЕЛЕЗОБЕТОН, ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ И КОНСТРУКЦИИ
12.1. Понятие о железобетоне, его преимущества и недостатки
Армированный стальными стержнями бетон называют железобетоном. 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 изобретение железобетона был выдан французу Ж. Монье в 1867 г., хотя известны попытки использования железобетона и до него (например, в 1849 г. инженером Г. Е. Паукером в России и в 1845 г. В. Уилкинсоном в Англии).
Интересно знать: Галилео. Истории изобретений. Железобетон
Первоначально железобетон применялся довольно ограниченно. В настоящее время это основной конструкционный материал и в жилищном, и в промышленном строительстве. Наиболее выгодно применять железобетон для строительных конструкций, работающих на изгиб.
Взаимодействие столь различных материалов, когда совместно работают бетон и расположенная в нём арматура, весьма эффективно. Бетон при твердении прочно сцепляется со стальной арматурой и надежно защищает ее от коррозии. Бетон хорошо работает на сжатие, но плохо сопротивляется изгибу и растяжению. Это затрудняет его применение в плитах перекрытий, балках, где возникают не только сжимающие напряжения, но и растягивающие. Если в растянутую зону поместить стальную арматуру, которая значительно превосходит бетон по прочности, то несущая способность конструкции увеличится в 10-20 раз. При работе таких элементов возникают два противоположных напряжения – растягивающее, воспринимаемое сталью, и сжимающее, воспринимаемое бетоном, и железобетонная конструкция успешно противостоит изгибающим нагрузкам.
Кроме того, бетон как сравнительно плохой проводник теплоты защищает сталь от сильного нагревания при пожарах. Стальные конструкции при пожаре быстро нагреваются, сталь размягчается и вся конструкция начинает деформироваться даже под собственным весом. В железобетонных конструкциях стальная арматура защищена от огня слоем бетона. Так, опыты показали, что при температуре поверхности бетона 1000°С арматура, находящаяся на глубине 50 мм, через 2 ч нагреется лишь до 500°С.
Преимущества железобетона:
- Изделия из железобетона долговечны.
- Высокая сопротивляемость атмосферным воздействиям.
- Изделия из железобетона отличаются высокой прочностью.
- Конструкции из ЖБИ огнеустойчивы.
- Высокая сейсмостойкость.
- Низкая себестоимость.
Но, несмотря на популярность данного строительного материала, в его использовании есть и недостатки:
- Изделия из железобетона имеют очень большой вес.
- Высокая тепло- и звукопроводность.
- Трудно что-то изменить или укрепить.
- Нужны квалифицированные рабочие для работы с таким материалом.
- Появление трещин на бетоне.
- Повышенные затраты во время транспортировки.
Из железобетона выполняют разнообразные строительные конструкции и изделия. Плиты из железобетона – это самый популярный из строительных материалов как в жилищном строительстве, так и в промышленном строительстве, даже, несмотря на выше перечисленные недостатки.
12.2. Классификация конструкций из железобетона
Железобетонные конструкции и изделия по способу производства разделяют на:
- монолитные (изготавливают непосредственно на месте строительства, укладывая бетонную смесь в опалубку);
- сборные (производят в виде крупноразмерных элементов на специализированных заводах, транспортируют к месту строительства и затем монтируют в сооружение);
- сборно-монолитные (представляют собой сочетание сборных элементов с монолитным бетоном).
По виду применяемого бетона различают конструкции из тяжёлого, лёгкого, ячеистого и специальных бетонов.
По способу армирования и состоянию арматуры конструкции могут быть:
- обычные;
- предварительно напряженные.
Монолитные железобетонные конструкции изготавливают непосредственно на месте строительства: подготавливают опалубку из металла, древесины или других материалов, затем укрепляют арматуру, производят подачу, укладку и уплотнение бетонной смеси. Распалубливание конструкции производят после твердения и достижения бетоном необходимой проектной прочности (Рис.12.1).
Рис. 12.1. Монолитные железобетонные конструкции
Преимущества: монолитные конструкции обладают высокой жесткостью; архитектурные формы зданий и сооружений из монолитного железобетона разнообразны, отличаются индивидуальностью и своеобразной пластикой.
Недостатки: при бетонировании монолитных конструкций в зимнее время возникают значительные трудности, затрачиваются материалы на изготовление опалубки и большое количество ручного труда.
Рис. 12.2. Сборные железобетонные изделия
Сборные железобетонные изделия и конструкции изготавливают на специализированных заводах, где производят сборные материалы для всех видов строительства (Рис.12.2). Они поставляются на строительство в готовом виде; значительно сокращается трудоемкость бетонных и железобетонных работ, ускоряются темпы и снижается стоимость строительства.
В настоящее время сборные бетонные и железобетонные изделия и конструкции изготавливают для всех основных частей современных зданий и сооружений:
- фундаментные плиты и блоки
- элементы каркаса зданий и междуэтажных перекрытий;
- стеновые панели и блоки;
- лестничные марши и площадки;
- элементы для специальных видов строительства (подземного, дорожного, гидротехнического, мостостроения) и т.д.
Сборно-монолитный железобетон – комбинация каркаса и монолита. В зависимости от типа и этапа работы они могут собираться как на заводской, так и на строительной площадке. Это, например, лестничные пролеты или блоки фундамента.
Самая высокая скорость возведения капитальных сооружений: все элементы здания прибывают в готовом виде, а монтаж занимает куда меньше времени, чем изготовление на месте (Рис.12.3).
Типовые размеры элементов исключают технические и проектные ошибки, отсутствуют работы по подгонке блоков.
Рис. 12.3. Сборно-монолитное перекрытие
Значительно повышает прочность материала предварительное натяжение арматуры. Для этого в форме перед заливкой бетона стержни, канаты, прутки растягивают до величины, не превышающей предела упругости, и в таком виде заливают бетоном. После того как бетон достигает нужной твердости, нагрузку снимают. Арматура стремится вернуться в первоначальное состояние и обжимает сцепленный со сталью бетон. Таким образом, получают блок, в котором каркас растянут, а бетон сжат.
Интересно знать: Схема монтажа сборно-монолитного здания
12.3. Виды арматурных сталей
В зависимости от своего функционального назначения существуют следующие виды арматуры:
- рабочая арматура (воспринимает усилия, возникающие под действием нагрузок на конструкцию и ее собственной массы);
- продольная рабочая арматура (воспринимает усилия растяжения или сжатия, действующие по продольной оси элемента);
- поперечная рабочая арматура (воспринимает усилия, действующие поперек оси балки);
- конструктивная или распределительная арматура (обеспечивает цельность конструкции) (Рис.12.4).
Рис.12.4. Виды арматуры
а – арматурные стержни; б – плоский каркас; в – пространственный каркас; г – арматурные сетки: 1–плоская; II – рулонная; д – арматурный блок; е – стержневая арматурная горячекатаная сталь: /–гладкая; //–периодического профиля; ж – каркас колонны из стержневой арматуры; з –то же, из жесткой арматуры; 1 – рабочие стержни прямые; 2 – то же, отогнутые; 3 – монтажные стержни; 4 – хомуты; 5 – распределительные стержни; 6 – сетки; 7 – пространственный каркас; 8 – арматурный выпуск; 9– уголок; 10– раскос.
По способу изготовления арматура бывает стержневая, холоднотянутая проволочная, проволочная обыкновенная.
Стержневая арматура бывает гладкой – с поперечным сечением, имеющим правильную круглую форму, и периодического профиля – с круглым сечением, но имеющую на поверхности рифление определенного узора, которое улучшает взаимное сцепление арматуры с затвердевшим бетоном (Рис.12.5).
Рис. 12.5. Стержневая арматура: а – гладкого профиля; б – периодического профиля.
12.4. Арматурные изделия и закладные детали
К арматурным изделиям относятся сварные сетки и каркасы, проволочные пучки и отдельные мерные стержни (Рис.12.6).
Рис.12.6. Виды арматурных изделий: а – плоские сетки; б, в – плоские каркасы; г, д, е – пространственные каркасы; ж, и – гнутые сетки; к – закладные детали
Сварные сетки – изготавливают из обыкновенной проволки Вр-I диаметром 3-5 мм и стержневой арматуры класса А – III диаметом 6-10мм.
Сварные каркасы могут быть плоскими и пространственными. Плоские каркасы состоят из одного или двух продольных рабочих стрежней, монтажного стержня и привариваемых к ним поперечных стержней. Пространственные каркасы получают путем сварки плоских каркасов.
Закладные детали служат для соединения сборных элементов при монтаже конструкций. Их приваривают к арматуре ж/б элемента или заанкеривают в бетоне.
Монтажные петли – за них зацепляют конструкцию крюками стропов при складировании, перемещении, монтаже, распалубке.
12.5. Предварительно напряжённые железобетонные конструкции
Применяют два способа создания предварительного напряжения: натяжение арматуры на упоры и натяжение арматуры на бетон.
При натяжении арматуры на упоры ее помещают в форму, один конец закрепляют в упоре, а другой натягивают домкратом до заданного напряжения. Затем производят бетонирование. После приобретения бетоном заданной прочности арматуру освобождают из упора; происходит так называемый отпуск натяжения. В результате усилие натяжения арматуры передается на бетон (Рис. 12.7). Также применяют электротермический способ. Для этого разогревают стержни до температуры 300-500°С, пропуская через них электрический ток, заводят в форму и закрепляют на упорах. В процессе остывания длина стержней сокращается, что приводит к возникновению в арматуре необходимого натяжения.
При натяжении арматуры на бетон сначала изготавливают бетонную конструкцию, в которой предусмотрены каналы или пазы для напрягаемой арматуры. После того, как бетон наберет необходимую прочность, в каналы вводят арматуру и натягивают ее непосредственно на бетон конструкции. Затем под давлением в каналы вводят цементное тесто или цементно-песчаный раствор, которые после затвердевания создают необходимое сцепление арматуры с основным массивом бетона в конструкции (Рис.12.8).
Рис.12.7. Схема создания предварительного натяжения арматуры методом натяжения на упоры: I – натяжение арматуры и армирование элемента; II – готовый элемент; 1 – упор; 2 – домкрат.
Рис.12.8. Натяжение арматуры на бетон: I – элемент во время натяжения арматуры; II – готовый элемент; 2 – домкрат; 3 – анкер.
Защитный слой бетона создают размещением арматуры на некотором удалении от поверхности конструкций.
Назначение защитного слоя:
- закрепление армирования в толще конструкции;
- обеспечение совместного нагружения армирования и бетона;
- эффективная защита армирования от внешнего воздействия (атмосферной, химической или другой коррозии, повышенной влажности, мороза и других вредных факторов).
Толщина защитного слоя назначается в зависимости от вида и диаметра арматуры, размера сечения конструкции и класса по условиям эксплуатации (от 20 до 50мм) (Рис.12.9).
Рис.12.9. Защитный слой бетона
Железобетонные изделия и конструкции значительно превосходят бетонные по несущей способности и другим механическим свойствам. Особенно эффективны предварительно напряжённые конструкции (Рис. 12.10). В сравнении с обычными они обладают более высокой трещиностойкостью, лучше сопротивляются динамическим нагрузкам, хорошо противостоят коррозионным воздействиям [2, с.324].
Рис. 12.10. Армирование бетонной конструкции
БЛОК САМОКОНТРОЛЯ
Для повторения и закрепления теоретического материала ознакомьтесь с презентациями:
Дайте ответ на следующие вопросы по теме:
- Какой строительный материал называют железобетоном?
- В чём проявляется эффективность железобетона?
- Перечислите преимущества железобетона.
- Назовите виды изготавливаемых железобетонных конструкций и изделий.
- Перечислите преимущества и недостатки монолитных железобетонных конструкций?
- Какие преимущества перед монолитными железобетонными конструкциями имеют сборные железобетонные изделия?
- Что представляет собой сборно-монолитный железобетон?
- Какие существуют виды арматурных сталей в зависимости от функционального назначения?
- Что улучшает взаимное сцепление арматуры с затвердевшим бетоном?
- Перечислите виды арматурных изделий.
- Какие различают конструкции по способу армирования и состоянию арматуры?
- Как создаётся предварительное натяжение арматуры методом натяжения на упоры?
- Опишите процесс натяжения арматуры на бетон.
- Каково назначение защитного слоя бетона?
- Перечислите свойства железобетонных конструкций.