Железобетон

Различают следующие основные виды железобетонных изделий: плиты, балки и колонны.
В связи с широкой механизацией строительства большое внимание уделяется применению шлакобетонных крупных блоков. Такие блоки изготовляют в заводских условиях размерами до 3х1х0,5 м и весом 1 — 1,5 т и более.
Особое место среди легких бетонов занимают ячеистые бетоны, представляющие собой искусственный материал с равномерно распределенными в нем мелкими замкнутыми ячейками, наполненными воздухом. Ячеистые бетоны изготовляют смешиванием вяжущего вещества с водой и пеной, получаемой при помощи различных пенообразующих веществ.
В зависимости от вида вяжущего и режима твердения различают следующие разновидности ячеистых бетонов:
1) пенобетон неавтоклавный, твердеющий при нормальном давлении;
2) пенобетон автоклавный, изготовляемый с запариванием в автоклавах при давлении пара 7 — 8 ат;
3) пеносиликат, получаемый из смеси молотой негашеной извести и тонкомолотого кварцевого песка без добавок или с добавками цемента, кремнеземистой глины и пр. и твердеющий также в автоклавах;
4) газобетоны и газосиликаты преимущественно автоклавного твердения.
Пенобетон получают механическим смешиванием цементного теста с пеной. Пена получается взбиванием водной эмульсии, в состав которой входят канифоль, щелочь и клей. Возможно также применение водного раствора сапонина — вытяжки из растительного мыльного корня. При твердении цементное тесто благодаря наличию пены образует замкнутые воздушные ячейки с тонкими стенками.
Основные показатели пенобетона следующие: объемный вес 400 — 600 кг/м3; коэффициент теплопроводности 0,08 — 0,12 ккал/м-час-град; предел прочности при сжатии 5 — 10 кПсм2.
Бетон, как и всякий камень, плохо сопротивляется растяжению и поэтому в нем даже при относительно малых растягивающих усилиях на нижней поверхности элементов появляются трещины, а при дальнейшем повышении нагрузки вскоре наступает полное разрушение плиты.
Для усиления бетонного изгибаемого элемента в нижнюю часть его при изготовлении закладывают рабочую арматуру в виде стальных стержней, которые воспринимают растягивающие усилия. Совместно с работающим на сжатие бетоном сталь образует прочную комплексную конструкцию, выдерживающую значительные нагрузки.
Элементы и конструкции, в которых используется совместная работа бетона и стальной (железной) арматуры, называют железобетонными.
Сила сцепления стали с бетоном может быть настолько большой, что легче достигнуть разрыва стержня арматуры, чем нарушить его связь с бетоном. Сцепление между обоими материалами развивается в основном за счет сил трения, вызываемых усадкой бетона, обжимающего стержни арматуры.
С целью повышения сцепления арматуры с бетоном в последние годы широко применяют взамен круглой арматуры специальные формы сечения — холодносплющенную и горячекатаную арматуру периодического профиля. Наличие выступов на поверхности такой арматуры обеспечивает надежное сцепление стержней с бетоном по всей их длине. В результате удается полнее использовать в железобетоне механические свойства более прочной стали и соответственно снизить расход металла (в среднем до 25%).
Стержни арматурной стали для железобетонных конструкций применяют в зависимости от некоторых физико-механических свойств (предел текучести, временного сопротивления разрыву, величины относительного удлинения) следующих классов: А — I; А — II; А — III и А — IV.
Стержни класса А — I (круглые, гладкие, диаметром до 40 мм), класса А — II (диаметром более 40 мм), классов А — III и А — IV (периодического профиля) изготовляют из специальных марок низколегированных сталей.
Сталь, окруженная со всех сторон плотно прилегающим слоем бетона, может сохраняться в нем неопределенно долгое время, не подвергаясь коррозии (ржавлению).
Таким образом, условиями, обеспечивающими надежную совместную работу бетона и стали в железобетоне, являются сцепление, отсутствие коррозии арматуры внутри бетона (если раскрытие трещин не превышает 0,3 мм), а также практически одинаковый коэффициент линейного расширения.
Рабочую арматуру располагают возможно ближе к поверхности
железобетонного элемента, однако во избежание коррозии арматуры и для обеспечения сцепления необходим защитный слой бетона. Этот слой в плитах должен быть не менее 1 см, а для легкого железобетона — не менее 1,5 см. При систематическом воздействии на конструкцию дымовых газов или высокой влажности указанные размеры защитного слоя увеличивают не менее чем на 1 см.
Количество рабочей арматуры измеряют площадью ее поперечного сечения, и в рационально запроектированной конструкции это число должно быть в пределах от 0,5 до 2% от площади сечения железобетонного элемента.
Перпендикулярно рабочей укладывают распределительную арматуру, назначение которой — обеспечить более равномерную работу, а также сохранить взаимное расположение стержневой рабочей арматуры при бетонировании. Стержни рабочей и распределительной арматуры, сваренные в пересечениях электросваркой или связанные между собой мягкой проволокой, образуют сетки.
Диаметры рабочей арматуры железобетонных плит обычно находятся в пределах от 6 до 12 мм, а распределительной арматуры — от 4 до 6 мм; расстояние между стержнями рабочей арматуры принимают в пределах от 7 до 20 см, распределительной — 15 - 25 см.
В настоящее время все больше применяют в качестве арматуры готовые сварные сетки из стержней, соединяемых в местах пересечения точечной контактной электросваркой. Сетки изготовляют в виде отдельных полотнищ или рулонов с продольной или поперечной рабочей арматурой. Применение таких сеток дает возможность экономить до 50% металла и снижать трудоемкость работ на 60 — 80%.
Железобетонные конструкции здания изготовляют монолитные и сборные.
В первом случае возводимые последовательно элементы здания (фундаменты, колонны, перекрытия и др.) в силу самого способа производства работ получаются прочно и жестко (монолитно) связанными. Этим трудоемким немеханизированным способом возводят такие громоздкие конструкции, которые невозможно расчленять на отдельно изготовляемые элементы. В плите над опорами-балками возникают растягивающие усилия, поэтому дополнительную арматуру здесь укладывают в виде сетки.
С 1954 г. у нас в стране здания строят преимущественно из сборных железобетонных элементов — плит, прогонов, балок и колонн. Сборные элементы соединяют между собой после установки на место заливкой стыков бетоном или путем сварки выпущенных концов арматуры и специальных закладных частей. Опыт показал, что при соответствующем устройстве стыков монолитность сборных конструкций может быть полностью обеспечена.
Сборные железобетонные плиты в настоящее время выполняют преимущественно облегченных конструкций — П-образные, многопустотные и др.
Железобетонные балки, как и плиты, изготовляют однопролетными (свободно лежащие и с заделанными концами) и многопролетными.
Формы поперечного сечения железобетонных балок довольно разнообразны, но чаще применяют балки прямоугольного и таврового сечений с арматурой в виде сварных каркасов.
Сварные каркасы арматуры железобетонных балок изготовляют в виде плоской решетки из прямых рабочих, монтажных и поперечных стержней. Рабочую арматуру в балках применяют диаметром от 12 до 28 мм (чаще 16 — 22 мм). Наличие прочно приваренных поперечных стержней улучшает сцепление рабочей арматуры с бетоном, что повышает трещино-устойчивость конструкции.
В зависимости от величины нагрузки и размеров поперечного сечения балки армируют одними или несколькими сварными каркасами. Взаимное расположение каркасов в опалубке устанавливают при помощи специальных шаблонов. Более рационально объединять все плоские сварные каркасы арматуры балки в один пространственный каркас при помощи электросварки.
Высота балок в 1,5 — 2 раза превышает ее ширину и высоту принимают не менее 1/20 от расчетного пролета (в пределах от 30 до 60 см) с градацией через 5 см. Ширина балок устанавливается в 15, 18, 20 и 25 см и далее с градацией через 5 см. Толщина защитного слоя бетона должна быть не менее 2,5 см для рабочей арматуры к 1,5 см — для вспомогательной. Так же, как ив плитах, в случае воздействия вредных факторов защитный слой нужно увеличить не менее чем на 1 см.
Железобетонные колонны делают чаще всего квадратного или прямоугольного сечения. Расположение арматуры в колоннах квадратного сечения показано на рис. 29 г. Наименьшее сечение колонн, поддерживающих перекрытия, принимают равным 25x25см с содержанием арматуры в пределах от 0,5 до 2% от площади сечения колонны. Диаметр продольных стержней арматуры выбирают от 12 до 40 мм в зависимости от данных расчета; диаметр хомутов — 5 — 8 мм. Расстояние между хомутами должно быть не более наименьшего поперечного размера колонны и не свыше 15 — 20 диаметров продольной арматуры. Хомуты в пересечениях с рабочей арматурой связывают проволокой или сваривают.
Технологический процесс изготовления железобетонных элементов состоит из следующих операций: подготовки опалубочных форм, приготовления бетонной смеси, сварки арматурных сеток и каркасов, укладки бетона с вибрацией и термовлажностной обработки изделий. Частично эти вопросы были уже освещены выше в теме «Бетоны».
Железобетонные конструкции хранят в рассортированном виде на деревянных подкладках с целью сохранения внешнего вида изделий и предохранения их от случайных ударов при укладке в штабеля. При транспортировке железобетонных элементов на строительную площадку и при подъеме кранами необходимо принимать меры к защите их от резких толчков и ударов.
Почти столетний опыт эксплуатации железобетонных конструкций показал, что они долговечны, огнестойки, имеют высокую прочность и жесткость. Из железобетона можно возводить самые сложные и разнообразные сооружения и архитектурные элементы. При достаточно простых конструктивных формах производство железобетонных работ можно полностью механизировать.
К недостаткам железобетона относятся значительный объемный вес, большая звуко- и теплопроводность, коррозия бетона в агрессивной среде и образование трещин (в растянутой зоне элементов), наличие которых приводит в неблагоприятных условиях к коррозии арматуры.
Современное состояние науки о железобетоне позволяет в значительной мере ослабить влияние этих недостатков, которые к тому же невелики по сравнению с положительными свойствами железобетона.
Существенным недостатком обычного железобетона является образование микротрещин в растянутом бетоне, особенно при переменной нагрузке, если даже нагрузка не достигает расчетных величин. Причина этого явления кроется в малой растяжимости бетона: первые трещины проявляются при удлинении растянутой зоны па 0,1 — 0,2 мм/м, тогда как растянутая арматура (даже из стали марки Ст. 3) при рабочих напряжениях имеет удлинение в 3 — 6 раз больше. Поэтому при общепринятых способах изготовления железобетонных конструкций невозможно использовать высокосортные материалы — стали высоких марок и высокопрочный бетон. Кроме того, применять такие материалы в железобетоне весьма выгодно, так как стоимость бетона и стали возрастает медленнее, чем их прочность.
Указанные выше недостатки железобетона устраняются предварительным напряжением элементов, когда арматура подвергается значительному натяжению до нагружения элемента эксплуатационной нагрузкой. Возникающая при натяжении реактивная сила передается на специальные упоры. После приобретения бетоном достаточной прочности натяжные средства удаляют, арматура, стремясь укоротиться, сжимает бетон, что облегчает его работу на растяжение в стадии эксплуатации.
В качестве натягиваемой продольной арматуры применяют холодосплющенную и горчекатаную арматуру периодического профиля или высокопрочную углеродистую проволоку диаметром 4 — 8 мм которую для лучшего сцепления с бетоном пропускают через стан, производящий сплющивание ее в холодном состоянии. Канатная проволока холодного волочения диаметром 1,8 — 3,0 мм с гладкой поверхностью имеет достаточное сцепление с бетоном и поэтому ее можно применять без анкеровки (струнобетон).
Как показала практика, использование предварительного напряжения позволяет уменьшить строительную высоту железобетонных элементов на 30 — 40%, а собственный их вес на 40 — 50%. Таким образом, предварительно напряженный железобетон имеет большие технические и экономические преимущества перед обычным железобетоном.
Применение сборного железобетона взамен монолитного позволяет резко снизить трудоемкость и расход материалов, значительно ускорить темпы работы, облегчить возведение зданий в зимних условиях. Производство типовых железобетонных изделий превратилось к настоящему времени в самостоятельную отрасль промышленности.
Возведение зданий и сооружений из сборных железобетонных элементов заводского изготовления в наибольшей степени отвечает требованиям индустриализации строительства. Здесь сочетаются высокомеханизированное заводское изготовление деталей со сборкой зданий или сооружений на строительной площадке при помощи кранов.