Железобетонные конструкции

Раздел: Строительство

Свойства железобетона зависят не только от свойств бетона и арматуры, но также от количества арматуры, ее размещения в конструкции, наличия предварительного напряжения и т. п.

Обычный железобетон обладает низкой трещино- стойкостью. Например, в балках при нагрузке, составляющей всего 0,2—0,3 разрушающей, в растянутой зоне бетона уже образуются трещины, которые в большинстве случаев не препятствуют нормальной эксплуатации конструкций, если к ним не предъявляются требования водонепроницаемости или повышенной коррозионной стойкости.

Трещиностойкость железобетона увеличивается при рассредоточенном (дисперсном) армировании (частом расположении арматуры малых диаметров или коротких кусков канатной проволоки) и особенно в результате предварительного напряжения конструкций.

Для оценки напряженного состояния, при котором происходит образование трещин, можно воспользоваться данными о предельных деформациях при растяжении.

При достаточно хорошем и непрерывном сцеплении по длине арматуры предполагают, что деформации бетона и арматуры в любой точке на поверхности их контакта равны, и, следовательно, перед появлением трещин

Таким образом, для получения трещиностойкой конструкции надо ограничить напряжение в арматуре относительно низким значением, примерно 15—25% предела текучести для стали класса A-I. В подавляющем большинстве случаев мирятся с наличием трещин, чтобы повысить степень использования арматуры и применять арматуру более высоких классов-

Видимые трещины (<~0,05 мм) появляются при нагрузках, меньших эксплуатационных, в зонах наибольших растягивающих напряжений и постепенно увеличиваются по мере роста напряжений в арматуре. Размер раскрытия трещин не должен превосходить размера, указанного в нормах.

Возможность повышения напряжений при допустимом раскрытии трещин зависит от качества сцепления арматуры с бетоном.

Сцепление арматуры с бетоном обеспечивается склеиванием с цементным камнем, силами трения, возникающими на поверхности арматуры вследствие обжатия стержней при усадке бетона, сопротивлением бетона срезу при наличии выступов на поверхности арматуры и специальными анкерными устройствами на концах стержней.

При выдергивании или продавливании стержня, заделанного в бетон, силы сцепления имеют переменное значение по длине заделки, достигая наибольших значений тСц. макс на некотором расстоянии от начала заделки стержня ( 1.19,а).

Сопротивление скольжению сжатого стержня (при продавливании) несколько выше, чем при выдергивании, благодаря увеличению поперечных размеров стержня при сжатии. Опыты показывают, что с увеличением диаметра стержня и напряжения в нем прочность сцепления при сжатии увеличивается, а при растяжении уменьшается. Отсюда следует, что для лучшего сцепления арматуры с бетоном при конструировании железобетонных элементов диаметр растянутых стержней следует ограничивать.

Благодаря сцеплению арматура и бетон в нагруженной конструкции деформируются совместно; между ними постоянно происходит перераспределение внутренних усилий в соответствии с упругопластиче- скими и физическими свойствами бетона и стали. Усадка и ползучесть железобетона оказываются значительно меньшими, чем в неармированном бетоне, благодаря сцеплению бетона с арматурой, препятствующей развитию усадки и ползучести.

Влияние усадки и ползучести бетона. Арматура благодаря сцеплению с бетоном препятствует свободному проявлению деформаций усадки и ползучести бетона. Вследствие усадки в бетоне возникают растягивающие напряжения, в арматуре — сжимающие. При несимметричном армировании в бетоне могут возникнуть не только растягивающие, но и сжимающие напряжения. Поскольку процесс усадки протекает без внешней нагрузки, бетон и арматура при этом образуют самоуравновешенную механическую систему: сжимающее усилие в арматуре равно растягивающему усилию в бетоне.

С увеличением количества арматуры сжимающие напряжения в ней уменьшаются, а растягивающие напряжения в бетоне увеличиваются. При значительном насыщении сечения арматурой растягивающие напряжения достигают предела прочности RP, и в бетоне могут возникнуть трещины даже при отсутствии внешней нагрузки.

Если задаться деформацией усадки еус, значением v и положить 0б=7?р, то из выражения (1.28) можно найти коэффициент армирования, при котором появляются трещины. Обычно еус принимают наибольшей и постоянной для всех марок бетона — 30-Ю-5, v также независимо от марки принимается равной 0,5. Вычисленные при этих значениях коэффициенты армирования получаются высокими, например для бетона марки 200 р.=0,041; для марки 300 р=0,058 и т.д.

Усадочные напряжения могут вызвать образование трещин в бетоне железобетонных элементов. В связи с этим при проектировании конструкций большой протяженности следует предусматривать усадочные швы.

Аналогичное воздействие на конструкцию оказывают и температурные деформации, возникающие при изменениях температуры среды. Поэтому температурные и усадочные деформационные швы обычно совмещают и называют температурно-усадочными швами. Однако в стадии разрушения элемента, когда бетон растянутой зоны испещрен трещинами, влияние начальных (собственных) усадочных напряжений на предельную прочность внешне статически определимого элемента практически исчезает.

В железобетонном элементе при длительном действии нагрузки в результате ползучести бетона происходит перераспределение усилий между бетоном и арматурой. Например, в сжатом симметрично армированном элементе вследствие ползучести бетона напряжения в арматуре увеличиваются, а в бетоне уменьшаются. В результате напряжения в арматуре могут достигнуть значений, близких к пределу текучести.

В ранний период применения железобетонных конструкций влияние усадки и ползучести при проектировании не учитывалось. Однако по мере накопления знаний выяснилось существенное их значение для работы железобетона, и в настоящее время учет усадки и ползучести осуществляется на разных этапах проектирования.

Наиболее полно это учитывают при расчете предварительно-напряженных конструкций, эффективность которых в значительной степени зависит от деформаций усадки и ползучести.

Коррозия железобетона определяется коррозией бетона, а при некоторых условиях и коррозией арматуры, которая может развиваться под действием жидких и газообразных агрессивных веществ, а также воды, фильтрующейся через поры и трещины бетона- Коррозия стали сопровождается увеличением ее объема в сравнении с первоначальным, что вызывает откалывание защитного слоя бетона.

Различают три вида коррозии бетона (поВ.М.Москвину).

К первой группе относятся процессы, возникающие при действии воды с малой жесткостью, когда в воде, фильтрующейся через бетон, происходит прямое растворение составных частей цементного камня, в первую очередь гидрата окиси кальция.

Процессы второй группы обусловлены действием растворенных в воде или в воздухе химических веществ, которые вступают в обменные реакции с составляющими цементного камня. Продукты таких химических реакций либо остаются на месте в виде аморфной массы, либо в растворенном виде уносятся водой-

К третьей группе относятся процессы, связанные с образованием и накоплением в порах и капиллярах нерастворимых солей. Их кристаллизация вызывает возникновение значительных усилий в цементном камне, что приводит к разрушению бетона.

В реальных условиях обычно наблюдается коррозия всех трех видов, иногда с преобладанием какого-либо из них.

Наиболее вредны для бетона соли ряда кислот, особенно серной кислоты, так как они образуют в цементе сульфат кальция и алюминия. В частности, сульфато-алю- минат кальция — «цементная бацилла», легко растворяясь, увеличивается в объеме в 2,5 раза и вытекает в виде белой слизи, образующей подтеки на поверхности бетона.

Очень агрессивны воды, содержащие сернокислый кальций; к ним относятся и грунтовые воды, в которых есть такие отходы производства, как гипс, шлак и т. п.

Из кислот наиболее опасны соляная и азотная; несколько более замедленное, но также разрушающее действие оказывают серная и сернистая кислоты.

Натриевые и калийные щелочи менее вредны для бетонов вследствие их медленного действия.

Морская вода при систематическом воздействии оказывает вредное влияние на бетон, поскольку содержит сульфат магнезии, хлористую магнезию и другие вредные соли.  .

Наиболее простой и действенной мерой предохранения бетона от влияния агрессивной среды является увеличение плотности. Плотность бетона достигается подбором зернового состава заполнителей, понижением водоце- ментного отношения и тщательным уплотнением при укладке. Повышению плотности способствуют добавки трасса, шлаковой или каменной муки до 20—30% массы цемента.

При наличии агрессивных сред и повышенной влажности толщина защитного слоя бетона для стальной арматуры должна быть увеличена, а закладные детали

должны быть снабжены специальными антикоррозионными покрытиями.

Сопротивление железобетона воздействию высоких температур зависит от температуры нагрева и длительности его действия.

Кратковременное воздействие на конструкцию высоких температур или огня возникает, например, при пожарах.

Огнестойкость железобетонного элемента оценивается пределом огнестойкости (в часах), т.е. временем, по истечении которого при пожаре наступают потеря несущей способности элемента, образование трещин, через которые огонь способен проникать в соседние помещения, или нагрев до 150° С необращенной к огню поверхности. Предел огнестойкости железобетонных элементов зависит от размеров сечения, конструктивной схемы элемента, вида арматуры, способа армирования и осо-. бенно от толщины защитного слоя. Железобетон относится к огнестойким материалам, способным противостоять при пожаре высоким температурам в течение нескольких часов без существенной потери прочности.

В сооружениях при длительно действующих высоких температурах (фундаменты доменных печей, борова, дымовые трубы и т. д.) к железобетонным конструкциям предъявляют требования жаростойкости- В этом случае либо применяют специальную изоляцию конструкций (футеровку), либо, что более экономично и надежно, железобетонные конструкции изготовляют из жаростойкого бетона.

При воздействии на железобетонные конструкции высоких температур толщину защитного слоя бетона увеличивают и назначают с учетом специальных нормативных требований.

Плотность (объемная масса) железобетона складывается из массы бетона и массы арматуры. Объемная масса железобетона на особо тяжелом бетоне принимается более 2500 кг/м3; объемная масса железобетона на тяжелом бетоне при укладке бетонной смеси с вибрированием принимается 2500 кг/м3, без вибрирования— 240О кг/м3. Объемная масса железобетона из бетона на пористых заполнителях (облегченный бетон) принимается от 1800 до 2200 кг/м3. Объемная масса железобетона на легком бетоне принимается от 500 до 1800 кг/м3 включительно.

 При значительном содержании арматуры (свыше 3%) объемную массу железобетона подсчитывают как сумму масс бетона и арматуры, приходящихся на единицу объема конструкции.

Защитный слой бетона. Толщина защитного слоя бетона для рабочей арматуры должна обеспечивать совместную работу арматуры с бетоном на всех стадиях изготовления, монтажа и эксплуатации конструкции, а также защиту арматуры от внешних атмосферных, температурных и тому подобных воздействий.

Для продольной рабочей арматуры толщина защитного слоя бетона должна быть, как правило, не менее диаметра стержня и не менее следующих размеров, мм:

в плитах и стенках толщиной до 100 мм включительно нз тяжелого бетона              Ю

в однослойных конструкциях из бетонов на пористых заполнителях марок 100 и ниже, выполненных без фактурных слоев 20

то же, для наружных стеновых панелей   25

в однослойных конструкциях из ячеистых бетонов .... 25 в плитах и стенках толщиной более 100 мм, а также в балках

н ребрах высотой менее 250 мм     15

в балках и ребрах высотой 250 мм и более, а также в колоннах 20

в фундаментных балках и сборных фундаментах           30

для нижней арматуры монолитных фундаментов при наличии

бетонной подготовки           35

то же, при отсутствии бетонной подготовки       70

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1.         Структура и виды бетона.

2.         Как влияют форма и размеры образцов на прочность бетона?

3.         Какие факторы влияют на механические свойства бетона?

4.         Что такое марка бетона и какие марки бетона установлены нормами?

5.         Назовите основные виды деформаций.

6.         Какова деформация бетона при длительных нагрузках?

7.         Какова деформация бетона от усадки?

8.         Что такое модуль деформации бетона?

9.         Механические свойства и виды стальной арматуры.

10.       Марки и классы арматурной стали.

11.       Модуль упругости арматурной стали.

12.       Сведения о неметаллической арматуре.

13.       Влияние арматуры на усадку и ползучесть бетона.

14.       Виды коррозии железобетона.

15.       Плотность (объемная масса) железобетона,

16.       Толщина защитного слоя бетона.