Железобетон
Сцепление арматуры с бетоном является очень важным свойством железобетона, так как оно обеспечивает совместную работу материалов, входящих в состав железобетона. Для того чтобы выдернуть забетонированный стержень из затвердевшего бетона, необходимо приложить определенную силу N (рис. 2.1, д, ё). Длина анкеровки арматурных стержней (длина их закрепления в бетоне) зависит от прочностных характеристик бетона и арматуры, а также от ее диаметра. При сжатии стержня необходимая длина анкеровки уменьшается, так как диаметр арматуры увеличивается в результате поперечного расширения стали. Исследования показывают, что при выдергивании стержня из бетона касательные на пряжения сцепления распределяются неравномерно.
Сначала максимальное напряжение сцепления возникнет вблизи наружной грани. С ростом усилия по мере нарушения сцепления между бетоном и арматурой эпюра напряжений смещается к внутреннему концу стержня, что в итоге может привести к выдергиванию стержня из бетона. Отношение усилия N в стержне к поверхности заделки определяют как среднее (условное) напряжение сцепления:
Исследованиями также установлено, что сцепление зависит от трех факторов: склеивания арматуры с бетоном, усилия трения арматуры о бетон, вызываемого усадочными деформациями, механического зацепления арматуры в бетоне. Рассмотрим влияние и роль каждого из этих факторов.
Известно, что гель цементного камня обладает клеющей способностью и при твердении склеивает металл с бетоном; например, при изготовлении железобетонных конструкций в металлической опалубке поверхность ее смазывают, чтобы предотвратить склеивание бетона с формой; прочность склеивания обычно невелика — 0,2...0,5 МПа. Известно также, что при твердении бетона развиваются деформации усадки, бетон уменьшается в обтеме и обжимает арматуру. Чем больше это обжатие, тем большие силы трения приходится преодолевать при перемещении арматуры относительно бетона.
Сопротивление сдвигу арматуры, вызванное усадкой бетона, составляет примерно 10... 15% от общего сцепления. Кроме того, поверхность арматуры имеет неровности, заполняемые бетоном; при сдвиге стержня необходимо приложить усилие, способное срезать бетон, заполнивший неровности по периметру арматуры; чем больше неровности на поверхности арматуры, тем больше объем срезаемого бетона и выше усилие выдергивания. Для улучшения сцепления арматуры с бетоном ее поверхность делают ребристой, т. е. создают периодический профиль; при арматуре периодического профиля сцепление возрастает примерно в два раза; прочность сцепления возрастает также с увеличением прочности бетона. Если длина заделки недостаточна, то концы стержней снабжают коротышами или шайбами. В случае применения арматуры класса А-I устраивают крюки на концах стержня.
Усадка и ползучесть железобетона. Железобетон, как и бетон, подвержен усадке и ползучести. Арматура и бетон благодаря возникающему между ними сцеплению деформируются совместно, причем наличие арматуры препятствует свободному протеканию усадки и ползучести. При усадке бетона возникают сжатие в арматуре и растяжение в бетоне. Растягивающие напряжения в бетоне тем больше, чем больше количество арматуры. Иногда эти напряжения приводят к трещинообразованию. При проектировании протяженных железобетонных конструкций устраивают усадочные швы, которые предупреждают появление усадочных трещин в бетоне.
Ползучесть бетона под длительно действующей нагрузкой вызывает перераспределение напряжений между бетоном и арматурой. В сжатых железобетонных элементах усадка и ползучесть производят одинаковый эффект, уменьшая сжимающие напряжения в бетоне и увеличивая их в арматуре. Вследствие ползучести бетона оба материала деформируются вплоть до стадии разрушения, несмотря на значительную разницу в их предельных деформациях. В растянутых железобетонных элементах, наоборот, ползучесть и усадка действуют в противоположных направлениях.
Деформации ползучести оказывают положительное влияние на работу коротких сжатых железобетонных элементов, позволяют полностью использовать прочность бетона и арматуры. Вместе с тем в изгибаемых (а также гибких сжатых) железобетонных элементах ползучесть вызывает увеличение прогибов; в гибких сжатых элементах это может привести к падению несущей способности.
Влияние температуры на железобетон. В условиях систематического воздействия на бетон повышенных температур (до 20°С) его прочности может снизиться на 30%. При длительном действии более высоких температур (500...600° С) и последующем охлаждении бетон может полностью разрушиться. Однако при кратковременном действии высоких температур и огня (пожар) железобетон может в течение нескольких часов сохранить свою несущую способность. Предел огнестойкости зависит от размеров конструктивной схемы железобетонного элемента, вида арматуры и особенно от толщины защитного слоя бетона, который предохраняет арматуру от непосредственного действия огня.
Коррозия железобетона. Одно из преимуществ бетона и железобетона — долговечность. Однако неблагоприятное сочетание постоянных и переменных нагрузок с воздействием различных физико-химических процессов среды вызывает коррозию бетона и стальной арматуры, что может привести к разрушению конструкций. При недостаточной плотности в условиях фильтрации воды (особенно мягкой) растворяется составная часть цементного камня — гидрат оксида кальция (один из видов коррозии бетона). Коррозия бетона возникает также под действием кислых газов (в сочетании с повышенной влажностью), растворов солей, кислот и т. д.
Коррозионная стойкость железобетонных конструкций определяется плотностью бетона и степенью агрессивности среды. Для предотвращения или замедления коррозии бетона следует применять бетоны на цементах, менее подвергающихся воздействию данного вредного реагента. Общими требованиями являются применение прочных бетонов с плотной структурой (W/C = 0,3...0,4), соблюдение технологии их приготовления, укладки в формы и ухода в период твердения. Наиболее плотный бетон получают при использовании фракционированных высокопрочных заполнителей. Образование раковин, пористости и расслоения бетона недопустимо с точки зрения его долговечности. Эффективная защита бетона от коррозии достигается окраской поверхности, обмазкой, склейкой или пропиткой защитными материалами. Успешно защищают бегоь также полиэтиленовыми листами с анкерами, закрепленными при бетонировании.
Скорость коррозии арматуры в обычных условиях составляет 0,1 мм в год, при неблагоприятных условиях, т. е. в условиях влажной среды она выше. Объем прокорродировавшего металла в 2...3 раза больше, чем до коррозии, поэтому по контуру арматуры создается радиальное давление, вызывающее образование продольных трещин и откол защитного слоя бетона. В нормальных условиях эксплуатации защита арматуры от коррозии внутри бетона обеспечивается щелочной средой (гидроксид кальция). Поэтому не следует добавлять в бетон солей хлоридов, особенно при армировании конструкций высокопрочной проволокой.
При заводском изготовлении железобетонных конструкций необходимо обеспечивать условия хранения арматуры, исключающие возможность коррозии, которая может продолжаться внутри бетона. Наиболее опасна коррозия арматуры в силикатных, ячеистых бетонах, бетонах на пористых заполнителях. Особое значение имеет правильный выбор толщины за щитного слоя бетона, предохраняющего арматуру от коррозии (см. ниже гл. 7).
Плотность железобетона принимается равной 2500 кг/м3, в случае укладки бетонной смеси без вибрирования — 2400 кг/м3. При значительном содержании арматуры (свыше 3%) плотность железобетона определяют как сумму масс бетона и арматуры в 1 м3 объема конструкции. Средняя плотность легкого железобетона определяется так же, как сумма масс бетона и арматуры в 1 м3 объема конструкции.
Контрольные вопросы 1. Как подразделяется арматура по своему назначению и по технологии изготовления? 2. Какие существуют классы арматурной стали, как они применяются в железобетонных конструкциях? 3. Каковы основные пути экономии арматурной стали в железобетоне? 4. Какие меры применяют для улучшения сцепления арматуры с бетоном? 5. Как отражается усадка и ползучесть бетона на работе железобетонных элементов? 6. Как влияют на железобетон повышенные температуры? 7. Какие меры нужно принимать для защиты железобетона от коррозии?