|
|
Бетон имеет недостаток, присущий
всем каменным как природным, так и искусственным материалам,— он хорошо
работает на сжатие, но плохо сопротивляется изгибу и растяжению. Чтобы
повысить прочность бетонных конструкций на растяжение и изгиб, в бетон
укладывают стальную проволоку или стержни, называемые арматурой. Арматура в
переводе с латинского означает «вооружение», т. е. стальная арматура как бы
вооружает, укрепляет бетон. Армированный стальными стержнями бетон называют
железобетоном.
Каменные конструкции, армированные металлом, были известны
давно, но в современном виде железобетон появился лишь во второй половине XX
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). Первоначально
железобетон применятся довольно ограниченно. В настоящее время это основной
конструкционный материал в жилищном и промышленном строительстве.
Железобетон — это не два разнородных материала: бетон и
сталь, а новый материал, в котором сталь и бетон работают совместно, помогая
друг другу. Это объясняется следующим. Бетон при твердении на воздухе
уменьшается в объеме, плотно охватывая арматуру. Прочность сцепления арматуры
с бетоном достигает больших значений. Так, чтобы выдернуть из бетона стержень
диаметром 30 мм, введенный в бетон на глубину 300 мм, требуется сила не менее 10 кН. Сцепление стали с бетоном не нарушается и при сильных
перепадах температуры, так как коэффициенты теплового расширения стали и
бетона почти одинаковы. Хорошее сцепление стали с бетоном приводит к тому,
что под нагрузкой эти два материала работают как одно целое.
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 на растяжение
(1...4 МПа) уже под небольшой нагрузкой бетон в растянутой зоне
растрескивается ( 13.1, а) и балка разрушится. Если же в растянутую зону
ввести стальную арматуру, то она примет на себя растягивающие напряжения
(прочность стали при растяжении более 200 МПа), и балка, хотя на ней могут
появиться трещины, не разрушится даже при больших нагрузках ( 13.1, б). В
ряде случаев армируют элементы, работающие и на сжатие
(колонны, сваи), так как и на сжатие сталь в 5...10 раз прочнее бетона.
Причиной, почему арматура принимает на себя большую часть
нагрузки, является различие в модулях упругости стали 2 • 105 МПа и бетона
(2...3) х 104 МПа. Из-за того, что модуль упругости стали в 10 раз выше
модуля упругости бетона, при нагружении железобетонного элемента напряжения,
возникающие в стали, приблизительно в 10 раз выше, чем напряжения в бетоне,
т. е. в материале происходит как бы перераспределение нагрузки.
Бетон благодаря своей плотности и водонепроницаемости, с
одной стороны, и щелочной реакции цементного камня в бетоне, с другой,
защищает сталь от коррозии. Кроме того, бетон как сравнительно плохой
проводник теплоты защищает сталь от быстрого нагрева 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.
|