Бетон и железобетон

Бетон – искусственный каменный строительный материал, получаемый в результате твердения специально подобранной смеси, состоящей из вяжущего материала, крупных и мелких заполнителей, воды и, если нужно, специальных добавок. В составе бетонных смесей используют минеральные вяжущие вещества – неорганические порошкообразные материалы, получаемые из природного сырья и образующие при перемешивании с водой подвижную массу, затвердевающую в прочное камневидное тело. Есть специальные нормы, оговаривающие соотношение материалов в смеси. От их соотношения зависит прочность бетона, например чрезмерное количество воды увеличивает подвижность бетона, но резко снижает его прочность. Подвижность бетонной смеси определяется на свежеприготовленной смеси с применением стандартного конуса и характеризуется осадкой конуса в сантиметрах. Железобетон – строительный композиционный материал, состоящий их бетона и арматуры (стальных стержней или прокатных профилей).

Железобетон как новый материал был запатентован садовником из Версаля Ж. Монье (J. Monier). Он получил патент в 1867 г. на цементную кадку для пальм, армированную железной сеткой. Именно этот год и считается официально годом рождения железобетона.

Портландцемент – главная составляющая бетона – появился в 1820-х гг. в Англии. В 1850 г. французские фирмы Dupont и Demarle открыли собственное производство портландцемента, выяснив, что для него подходят различные глинистые известняки, а главный секрет производства заключался в специальном обжиге.

В России этот материал стали производить позже. Первый завод портландцемента возник в 1857 г. в Польше, в деревне Гродзецы Петраковской губернии. Заводы, производившие другой тип цемента, устойчивого к воде (он назывался романским), появились в России несколько раньше – в 1851 г. Главным инициатором создания заводов стал рижский предприниматель К. X. Шмидт, который использовал работы доктора химии Юрьевского университета В. П. Ливена, проводившего исследования составов цементных материалов. Доктор Дивен построил первый завод по производству портландцемента в 1867 г. под Ригой, в Подере. В Санкт-Петербурге первым заводом по производству портландцемента считается Глухоозерский завод, построенный в 1884 г. профессором А. Р. Шуляченко.

После того как было налажено производство портландцемента, наступила эра железобетонных конструкций, сначала в виде стен, колонн, плоских перекрытий, затем стали появляться железобетонные арки, позже, в 1920-х гг., – тонкостенные оболочки.

Франсуа Куанье запатентовал в 1855 г. способ перекрестного армирования бетона и первый указал, что бетон и арматура в железобетонных изделиях работают совместно.

Бетоны классифицируются по основному назначению (конструкционные и специальные), виду вяжущего материала (па цементных, известковых, шлаковых, гипсовых и специальных вяжущих), виду заполнителей (плотные, пористые и специальные), структуре (плотной, поризованной, ячеистой, крупнозернистой) и условию твердения.

Специальные бетоны предназначены для эксплуатации в особенных условиях: при повышенной влажности, сверхвысокой температуре, под воздействием кислот или радиоактивного излучения.

К специальным бетонам относят гидротехнические бетоны (подводный бетон, бетон переменного уровня воды, надводный бетон), жаростойкие бетоны (бетоны на жидком стекле, на основе портландцемента с активными минеральными добавками, бетоны на высокоглиноземном цементе, на основе фосфатных связующих), кислотоупорные бетоны, бетон, предназначенный для защиты от радиоактивного воздействия, и др.

Основными нормируемыми и контролируемыми показателями качества бетона являются класс по прочности на сжатие В; класс по прочности па осевое растяжение ; марка по морозостойкости F; марка по водонепроницаемости W; марка по средней плотности D.

Класс бетона по прочности на сжатие В соответствует значению кубиковой прочности бетона на сжатие (в МПа) с обеспеченностью 0,95 (нормативная кубиковая прочность) и принимается в пределах от В 0,5 до В 120. Опытами установлено, что прочность бетона одного и того же состава зависит от размера куба. Если временно́е сопротивление сжатию бетона для стандартного куба с ребром 15 см равно R*, то для куба с ребром 20 см оно уменьшается и равно 0,93R*.

Класс бетона по прочности на осевое растяжение В, соответствует значению прочности бетона на осевое растяжение (в МПа) с обеспеченностью 0,95(нормативная прочность бетона) и принимается в пределах от до .

Зависимость между классом бетона по прочности и его средней прочностью имеет вид

где В – класс бетона по прочности, МПа; – средняя прочность бетона, МПа; v – коэффициент вариации прочности бетона; t – коэффициент, характеризующий принятую при проектировании обеспеченность класса бетона.

Марка бетона по морозостойкости F соответствует минимальному числу циклов попеременного замораживания и оттаивания, выдерживаемых образцом при стандартном испытании, и принимается в пределах от F15 до F1000.

Марка бетона по водонепроницаемости W соответствует максимальному значению давления воды, выдерживаемому бетонным образцом при испытании, и принимается в пределах от W2 до W20 (от 0,2 до 2 МПа).

Марка бетона по средней плотности D соответствует среднему значению объемной массы бетона (в кг/м3) и принимается в пределах от D 200 до D 5000.

Бетон обладает свойством уменьшаться в объеме при твердении в обычной воздушной среде (усадка бетона). Процесс твердения бетона значительно ускоряется при повышении температуры и влажности окружающей среды.

Основными прочностными характеристиками бетона являются нормативные значения: сопротивление бетона осевому сжатию ; сопротивление бетона осевому растяжению .

Кубиковая прочность не может быть непосредственно использована в расчетах прочности элементов конструкции, так как она зависит от размеров кубиков. Основной характеристикой прочности бетона сжатых элементов является призменная прочность – временно́е сопротивление осевому сжатию бетонных призм. Нормативное значение сопротивления бетона осевому сжатию (призменная прочность) и осевому растяжению следует устанавливать в зависимости от нормативного значения прочности образцов-кубиков (нормативная кубиковая прочность) для соответствующего вида бетона и контролируемого на производстве. Призменная прочность бетона меньше кубиковой, и она уменьшается с увеличением отношения высоты призмы к размеру ее квадратного основания.

Основными расчетными прочностными характеристиками бетона являются расчетные значения сопротивления бетона: осевому сжатию и осевому растяжению .

Расчетные значения прочностных характеристик бетона следует определять делением нормативных значений сопротивления бетона осевому сжатию и растяжению на соответствующие коэффициенты надежности по бетону при сжатии и растяжении.

Предельными считаются состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять предъявляемым к ним в процессе эксплуатации требованиям, т.е. теряют способность сопротивляться внешним нагрузкам и воздействиям или получают недопустимые перемещения или местные повреждения.

Железобетонные конструкции должны удовлетворять требованиям расчета по двум группам предельных состояний: по несущей способности – первая группа предельных состояний; по пригодности к нормальной эксплуатации – вторая группа предельных состояний. Расчет по предельным состояниям второй группы выполняют, чтобы предотвратить образование чрезмерного раскрытия трещин и чрезмерных перемещений.

Значения коэффициентов надежности следует принимать в зависимости от вида бетона, расчетной характеристики бетона, рассматриваемого предельного состояния, но не менее 1,3 – для предельных состояний первой группы и 1,0 – для предельных состояний второй группы для коэффициента надежности по бетону при сжатии; 1,5 – для предельных состояний первой группы при назначении класса бетона по прочности па сжатие, 1,3 – то же, при назначении класса бетона по прочности на осевое растяжение и 1,0 – для предельных состояний второй группы для коэффициента надежности по бетону при растяжении.

Прочность бетона при растяжении намного меньше, чем при сжатии (см. табл. 2.2). Значениеопределяют испытаниями на разрыв образцов в виде восьмерок.

Свойство бетона, характеризующееся нарастанием неупругих деформаций при длительном действии нагрузки, называют ползучестью бетона.

Основными деформационными характеристиками бетона являются нормативные значения предельных относительных деформаций бетона при осевом сжатии и растяжении и ; начального модуля упругости бетона ; коэффициента ползучести ; коэффициента Пуассона ; коэффициента линейной температурной деформации бетона .

Расчетные значения основных деформационных характеристик бетона для предельных состояний первой и второй групп следует принимать равными их нормативным значениям.

Начальный модуль упругости бетона при сжатии соответствует лишь упругим деформациям, возникающим при мгновенном загружении образца. Модуль полных деформаций бетона при сжатии соответствует полным деформациям и является величиной переменной. Существуют различные эмпирически формулы для вычисления начального модуля упругостикак функции марки бетона (). Физико-механические свойства различных бетонов отличаются друг от друга, точные сведения о них можно найти в соответствующей нормативной литературе.

Для восприятия растягивающих напряжений в железобетонных конструкциях устанавливают арматуру. Арматура может устанавливаться и для усиления бетона сжатых зон конструкции или конструктивно для восприятия монтажных нагрузок. Рабочая арматура – арматура, устанавливаемая по расчету. Конструктивная арматура – арматура, устанавливаемая по конструктивным и технологическим соображениям. По форме поверхности арматура может быть периодического профиля и гладкой.

Для железобетонных конструкций следует применять следующие виды арматуры, установленные соответствующими стандартами: горячекатаную гладкую и периодического профиля диаметром 3–80 мм; термомеханически упрочненную периодического профиля диаметром 6–40 мм; механически упрочненную в холодном состоянии (холоднодеформированную) периодического профиля или гладкую диаметром 3–12 мм; арматурные канаты диаметром 6–15 мм; неметаллическую композитную арматуру.

В предварительно-напряженных железобетонных конструкциях еще до приложения внешних нагрузок в слоях (зонах) бетона, где будут возникать расчетные растягивающие напряжения, создаются значительные сжимающие напряжения путем натяжения арматуры, чем повышается трещиностойкость конструкции.

Основным нормируемым и контролируемым показателем качества стальной арматуры является класс арматуры по прочности на растяжение, обозначаемый следующим образом: А – для горячекатаной и термомеханически упрочненной арматуры; В – для холоднодеформированной арматуры; К – для арматурных канатов.

Класс арматуры соответствует гарантированному значению предела текучести (физического или условного) (в МПа), устанавливаемому в соответствии с требованиями стандартов и технических условий, и принимается в пределах от А 240 до А 1500, от В 500 до В 2000 и от К 1400 до К 2500.

Основной прочностной характеристикой арматуры при растяжении (сжатии) является нормативное значение сопротивления , равное значению предела текучести.

Основными деформационными характеристиками арматуры являются нормативные значения относительных деформаций удлинения арматуры при достижении напряжениями нормативных значений и модуль упругости арматуры

Расчетные значения сопротивления арматуры определяют делением нормативных значений сопротивления арматуры на коэффициент надежности по арматуре . Значения коэффициента надежности следует принимать в зависимости от класса арматуры и рассматриваемого предельного состояния, но не менее 1,1 при расчете по предельным состояниям первой группы и не менее 1,0 при расчете по предельным состояниям второй группы. Расчетные значения модуля упругости арматуры принимают равными их нормативным значениям.

Коррозионная стойкость элементов железобетонных конструкций зависит от плотности бетона и агрессивности среды. Фильтрующаяся вода может растворять часть цементного камня (гидрат оксида кальция). Коррозия арматуры, ржавление, происходит в результате химического воздействия окружающей среды и, как правило, она протекает одновременно с коррозией бетона.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >