История развития железобетона

Размещено на http: //www. allbest. ru/

1. Краткая история развития железобетона

Железобетон по сравнению с другими строительными материалами появился сравнительно недавно и почти одновременно в Европе и Америке. Его история насчитывает не более 150 лет. Однако к настоящему времени он получил самое широкое распространение в строительстве, имеет свою историю и своих выдающихся деятелей.

Появление железобетонных конструкций связано с большим ростом промышленности, транспорта и торговли во второй половине XIX в.

Исследования покрытий Царскосельского Дворца показали, что русские мастера еще в 1802 г. применяли армированный бетон, однако они не считали, что получили новый строительный материал, и не патентовали его.

Первым изделием из железобетона была лодка, построенная Ламбо во Франции в 1850 г. Первые патенты на изготовление изделий из железобетона были получены Монье в 1867... 1870 гг. В 1892 г. французский инженер Ф. Геннебик предложил монолитные железобетонные ребристые перекрытия и ряд других рациональных строительных конструкций. В России железобетон стали применять с 1886 г. для перекрытий по металлическим балкам.

В 1885 г. в Германии инж. Вайс и проф. Баушингер провели первые научные опыты по определению прочности и огнестойкости железобетонных конструкций, сохранности железа в бетоне, сил сцепления арматуры с бетоном и пр. Тогда же впервые инж. М. К?нен высказал предположение, подтвержденное опытами, что арматура должна располагаться в тех частях конструкции, где можно ожидать растягивающие усилия.

В 1886 г. М. К?нен предложил первый метод расчета железобетонных плит, который способствовал развитию интереса к новому материалу и более широкому распространению железобетона в Германии и Австро-Венгрии.

В 1891 г. талантливейший русский строитель проф. Н. А. Белелюбский первым провел серию испытаний железобетонных конструкций: плит, балок, арок, резервуаров, силосов для зерна, моста прол?том 17 м. В 1911 г. в России были изданы первые технические условия и нормы для железобетонных сооружений.

Конец XIX в. можно считать началом первого этапа в развитии железобетона. С этого времени повсеместно вошел в практику и метод расчета бетонных конструкций по допустимым напряжениям, основанный на законах сопротивления упругих материалов.

В 1904 г. в г. Николаеве по проекту инженеров Н. Пятницкого и А. Барышникова был построен первый в мире морской маяк из монолитного железобетона высотой 36 м, со стенами толщиной 10 см вверху и до 20 см внизу.

Впервые идея предварительного напряжения элементов, работающих на растяжение, была выдвинута и осуществлена в 1861 г. русским артиллерийским инж. А. В. Гадолиным применительно к изготовлению стальных стволов артиллерийских орудий.

После революции железобетонное строительство в России получило невиданный в мире размах. Необходимость максимально экономить материал и снижать стоимость железобетонных конструкций вынуждала советскую школу учитывать все наиболее передовое в европейской и американской практике и широко развивать собственные теоретические и экспериментальные исследования в области железобетона. Это, в свою очередь, способствовало значительному расширению применения железобетона в гидротехническом и жилищно-гражданском строительстве.

В 1925... 1932 гг. советские ученые В. М. Келдыш, А. Ф. Лолейт, А. А. Гвоздев. П. Л. Пастернак и другие на базе широких экспериментальных работ разработали общие методы расчета статически неопределимых стержневых систем (арок и рам), которые позволили запроектировать и построить много уникальных для своего времени общественных и промышленных зданий из железобетона: Центральный телеграф, Дом «Известий», здания министерств легкой промышленности и земледелия в Москве, почтамт и Дом промышленности в Харькове, Дома Советов в Ленинграде, Минске, Киеве и ряд других крупных сооружении.

В гидротехническом строительстве впервые железобетон был применен при строительстве Волховской ГЭС (1921... 1926 гг.), крупнейшей по тому времени. Вслед за Волховской ГЭС были построены ДнепроГЭС (1927... 1932 гг.), Нижне-Свирская ГЭС (1928... 1934 гг.), в которых бетон и железобетон применялись еще более широко.

Примерно в 1928 г. железобетон стал широко использоваться в строительстве тонкостенных пространственных конструкций: разнообразных оболочках, складах, шатрах, сводах и куполах. Советский ученый В. 3. Власов первым разработал общий практический метод расчета оболочек, значительно опередив зарубежную науку в этой области. Первый тонкостенный купол значительного диаметра (28 м) был построен в 1929 г. в Москве для планетария, а самый большой в то время гладкий купол диаметром 55, 5 м был сооружен в 1934 г. над зрительным залом театра в Новосибирске. Конструкцию купола разработал инж. Б. Ф. Матери по идее и под руководством П. Л. Пастернака.

Применение в строительстве рамных и тонкостенных пространственных систем с использованием их жесткости и монолитности следует считать вторым этапом в развитии железобетона.

В 1936 г. в СССР впервые был применен предварительно напряженный железобетон для изготовления опор канатной сети на закавказских железных дорогах. Широкому внедрению предварительно напряженных железобетонных конструкций во многом способствовали работы ученых В. В. Михайлова, А. А. Гвоздева, С. А. Дмитриева и др.

На основе глубокого изучения физических и упругопластических свойств железобетона, а также экспериментальных данных А. Ф. Лолейт, А. А. Гвоздев и другие (1931... 1934 гг.) создали теорию расчета железобетона по разрушающим усилиям. Она была положена в основу норм (ОСТ 90003-38), по которым рассчитывали все промышленные и гражданские здания и сооружения.

Широкую индустриализацию железобетонного строительства, развитие предварительно напряженных конструкций, внедрение высокопрочных материалов и разработку нового метода расчета железобетонных конструкций следует считать началом третьего этапа в развитии железобетонных конструкций. Выдающимся примером третьего этапа может служить построенная в 1965 г. башня Большого московского телецентра общей высотой 522 м.

Под каменными конструкциями понимают несущие и ограждающие конструкции зданий и сооружений, выполненных пут?м соединения отдельных камней или каменных изделий строительным раствором.

Каменные конструкции - наиболее древние, поскольку простейшие их виды можно было выполнять примитивными инструментами. В течение многих веков основным строительным материалом был камень. Известны сооружения из необработанных естественных камней еще каменного века. Во многих странах сохранилось большое количество выдающихся памятников каменного зодчества (крепости, соборы, дворцы и кремли). Позже для каменных конструкций применяли естественный камень, кирпич - как сырец, так и обожженный. Многие годы кирпич был основным материалом.

Желание зодчих совершенствовать конструкции требовало разработки способов их расч?та. В 1638 г. Галилей впервые определил несущую способность изгибаемого бруса. В конце XVIII в. Кулон предложил теорию расч?та каменного свода.

В первом опубликованном в России научном труде о прочности каменной кладки было изучено напряженное состояние каменной кладки при сжатии. Автор В. А. Гастев доказал, что при сжатии кладки каждый кирпич подвергается изгибу и в нем возникают напряжения сжатия, среза и растяжения.

К середине 30-х гг. методы расчета прочности каменных конструкций уже были основаны на большом экспериментальном материале. За период с 30-х до 50-х гг. произошла существенная эволюция каменных конструкций и материалов. Значительно расширилась область применения кирпичных стен, было внедрено армирование кирпичной кладки на основе теории расчета армокаменных конструкций.

В 30-е гг. советскими учеными были разработаны новые методы производства работ в зимнее время, в том числе и каменных. Многочисленные исследования прочности кладки, выполненной методом замораживания раствора с твердением его после оттаивания, новые издания соответствующих нормативных документов позволили ликвидировать сезонность в строительстве. С 1931 г. в зимнее время кладку начали вести без тепляков.

В развитии теории и практики каменных конструкции велика роль В. П. Некрасова, Л. И. Онищика, С. А. Семенцова, С. В. Полякова, Ю. М. Иванова, В. А. Камейко, А. И. Рабиновича, И. Т. Котова, Н. И. Кравчени и других советских ученых.

Каменные конструкции возводят из имеющихся на местах материалов. Они просты в изготовлении, долговечны и огнестойки. Для повышения уровня механизации кладочных работ и сокращения сроков строительства в настоящее время применяют крупные блоки и панели заводского изготовления из кирпича, легких и ячеистых бетонов.



Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис. 1 Схема разрушения балки: а - бетонной; б - железобетонной; 1 - нулевая (нейтральная линия), 2 - сжатая зона балки; 3 - растянутая зона балки; 4 - нормальные трещины; 5 - наклонные трещины; 6 - стальная арматура; 7 - разрушение бетона сжатой зоны

2. Сущность железобетона, его достоинства и недостатки

Прочность бетона на растяжение в 15-20 раз ниже, чем прочность на сжатие. Предельная растяжимость бетона (0,15 мм на 1 м), а предельная сжимаемость (2 мм на 1 м). Низкая прочность на растяжение не позволяет использовать неармированный бетон в конструкциях, испытывающих растяжение. Поэтому из бетона выполняют конструкции, воспринимающие сжимающие усилия: стены, фундаменты, колонны, подпорные стенки и др.

Разрушение бетонных балок происходит от разрыва нижних наиболее растянутых волокон (рис. 1, а). При этом несущая способность сжатой зоны балки используется не более чем на 5…7%. Поэтому растянутую зону балки усиливают путем введения упрочняющих элементов, чаще всего, в виде стальной арматуры. Относительное удлинение стальной арматуры при растяжении в тысячу раз превышает относительное удлинение бетона.

При достаточном армировании железобетонная балка разрушится при полном исчерпании несущей способности сжатой зоны бетона (рис. 1, б).

Железобетон - это комплексный строительный материал, в котором бетон и арматура, соединенные взаимным сцеплением, работают под нагрузкой как единое монолитное тело. Бетон предназначается для восприятия преимущественно сжимающих усилий, а арматура - растягивающих. железобетон строительство арматурный сталь

Совместная работа арматуры и бетона

Совместное сопротивление бетона и стальной арматуры обуславливается удачным сочетанием физикомеханических свойств этих материалов. При твердении бетона между ним и арматурой возникают значительные силы сцепления, что обеспечивает их совместное действие. Бетон и сталь обладают близкими по значениям коэффициенты температурной деформации, вследствие чего в обычных условиях при температурах в пределах от -20 до +50 градусов эксплуатационнве качества конструкций не меняются. Плотный бетон защищает арматуру от коррозии, высоких температур и механических повреждений.

1) сцепление арматуры с бетоном, исключающее продергивание арматуры в бетоне;

2) примерное равенство коэффициентов температурного удлинения (укорочения) бетона и арматуры, так как в материалах с разными коэффициентами линейных температурных деформаций при перепадах температуры возникают собственные напряжения, что снижает сцепление между материалами.

3) способность

К достоинствам железобетонных конструкций относятся:

• высокая прочность:

• большая долговечность;

• высокая степень огнестойкости;

• стойкость против атмосферных воздействий; - малые эксплуатационные расходы на содержание;

• гигиеничность;

• экономичность ввиду повсеместной доступности сырья.

Недостатки железобетонных конструкций.

За счет сцепления с арматурой бетон работает под нагрузкой совместно с арматурой. Предельная растяжимость бетона в тысячу раз меньше предельной растяжимости стальной арматуры, поэтому при совместном растяжении цельность бетона сохраняется только в начальный период эксплуатации (см. рис. 1, б). Напряжения в арматуре в период образования трещин всегда незначительны по сравнению с предельной прочностью арматуры.

С увеличением внешней нагрузки в изгибаемых балках происходит развитие по высоте сечения балки трещин, резко уменьшается высота сжатой зоны, снижается жесткость балки, что приводит к возрастанию прогиба.

С учетом вышеизложенного к недостаткам железобетонных конструкций без предварительного напряжения относятся:

• низкая трещиностойкость вследствие слабого включения в работу арматуры в период образования трещин, быстрое их раскрытие и быстрый рост прогибов;

• нерациональность использования в железобетонных конструкциях без предварительного напряжения высокопрочной арматуры;

• невыгодность использования бетонов повышенной и высокой прочности, поэтому железобетонные конструкции без предварительного напряжения обладают большой массой, что ограничивает величину перекрываемых пролетов;

• большая трудоемкость при изготовлении;

• большая звуко- и теплопроводность.

3. Способы изготовления и возведения ЖБК

1. Сборные конструкции - конструкции, возведение которых на строительной площадке производят из заранее изготовленных элементов.

2. Монолитные конструкции - конструкции, возведение которых осуществляют непосредственно на строительной площадке.

3. Сборно-монолитные конструкции - комплексные конструкции, в которых сборный и монолитный железобетон, укладываемый на месте строительства, работает под нагрузкой как одно целое.

4. Область применения ЖБК в современном строительстве

Железо бетонные конструкции применяют в промышленном, Гражданском и сель. хоз строительстве - для зданий различного назначения; в транспортном строительстве - для метрополитенов, мостов, туннелей; в энергетическом строительстве - для гидроэлектростанций, атомных реакторов; в гидромелиоративном строительстве - для плотин и ирригационных устройств; в горной промышленности - для надшахтных сооружений и крепления подземных выработок и т.д. Такое широкое распространение в строительстве железобетон получил вследствие многих его положительных свойств: долговечности, огнестойкости, стойкости против атмосферных воздействий, высокой сопротивляемости статическим и динамическим нагрузкам, малых эксплуатационных расходов на содержание зданий и сооружений и др. Почти повсеместное наличие крупных и мелких заполнителей, в больших количествах идущих на приготовление бетона, делает железобетон доступным к применению практически на всей территории страны.

Большое распространение железобетона и современном строительстве вызвано, прежде всего, его значительными техническими и экономическими преимуществами в сравнении с другими строительными материалами.

До 70--80% массы железобетона составляют местные каменные материалы (песок, гравий или щебень). Замена стальных и деревянных конструкций железобетонными позволяет экономнее расходовать в строительстве сталь и древесину, незаменимые в других отраслях народного хозяйства.

Особенно значительный технико-экономический эффект достигается при применении сборного и предварительно напряженного железобетона, изготовляемого индустриальными методами на предприятиях и полигонах.

Железобетон обладает рядом важных технических преимуществ. Прежде всего, он отличается исключительной долговечностью благодаря надежной сохранности арматуры, заключенной в бетон. Прочность же бетона со временем не только не уменьшается, но может даже увеличиться.

Железобетон хорошо сопротивляется атмосферным воздействиям, что особенно важно при строительстве открытых инженерных сооружений (эстакады, мачты, трубы, мосты и др.).

Конструкции из железобетона обладают высокой огнестойкостью защитный слой бетона толщиной 1,5--2 см достаточен для обеспечения огнестойкости железобетонных конструкций при пожарах. В целях еще большего увеличения огне-, а также жаростойкости применяют специальные заполнители (базальт, диабаз, шамот, доменные шлаки и др.) и увеличивают толщину защитного слоя до 3 - 4 см.

Железобетонные конструкции, благодаря их монолитности и большей жесткости по сравнению с конструкциями из других материалов, отличаются весьма высокой сейсмостойкостью.

Железобетону легко могут быть приданы любые целесообразные конструктивные и архитектурные формы. Эксплуатационные расходы по содержанию сооружений и уходу за конструкциями весьма низки.

По затратам времени на изготовление и монтаж сборные железобетонные конструкции могут конкурировать со стальными, особенно при изготовлении железобетонных конструкций методом проката, кассетным способом, при монтаже с колес и применении других прогрессивных методов изготовления и монтажа.

Железобетонные конструкции имеют наибольшее распространение в виде крупноразмерных панелей перекрытий, покрытий и стен зданий и сооружений, ферм, арок, оболочек, колонн, фундаментов, резервуаров, труб, мачт и др.

5. Классификация бетонов, применяемых в строительстве

Для обеспечения долговечной и нормальной эксплуатации бетон для железобетонных конструкций должен иметь необходимые для этого физикомеханические свойства:

• прочность;

• хорошее сцепление с арматурой;

• непроницаемость для защиты арматуры от коррозии;

• специальные требования: морозостойкость, жаростойкость, коррозионная стойкость и др.

Классификация бетонов:

1. По структуре:

а) плотные;

б) крупнопористые;

в) поризованные;

г) ячеистые.

2. По плотности:

а) особо тяжелые (с > 2500 кг/м3);

б) тяжелые (с = 2200 ч 2500 кг/м3);

в) облегченные (чаще мелкозернистые) (с = 1800 ч 2200 кг/м3);

г) легкие (с = 800 ч 1800 кг/м3).

3. По виду заполнителей:

а) на плотных заполнителях (щебень, песок, гравий);

б) на пористых заполнителях (естественных - пемза, перлит, ракушечник; искусственных - керамзит, шлак);

в) на специальных заполнителях.

4. По зерновому составу:

а) крупнозернистые;

б) мелкозернистые.

5. По условиям твердения:

а) бетоны естественного твердения;

б) бетоны, подвергнутые тепловлажностной обработке при атмосферном давлении;

в) бетоны, подвергнутые автоклавной обработке при высоком давлении и температуре.

6. Схема физико-химического процесса твердения бетона

Физические свойства бетона определяются строением капиллярно-пористой структуры цементного камня, образованной в процессе его твердения. Рассмотрим, какое воздействие оказывает повышенная температура, т.е. условия создаваемые при тепловлажностной обработке на формирование цементного камня и бетона в целом.

При твердении вяжущих веществ значительную роль играют плотность и вязкость жидкой фазы. Изменение относительной плотности и вязкости влияет на скорость растворения и диссоциацию на ионы минералов цемента и дальнейшее образование кристаллогидратов. С возрастанием температуры структура воды изменяется, т.к. происходит разрыв водородных связей. Плотность и вязкость воды уменьшаются, в результате чего увеличивается её растворяющая способность, приводящая к ускорениюфизико-химических процессов, превращающих цементное тесто в твёрдое тело.

При смачивании зёрен цемента водой начинают развиваться следующие физико-химические процессы, которые можно разделить на этапы:

1. Адсорбция воды зерном цемента.

2. Поверхностная гидратация.

3. Растворение.

4. Гидратация в растворе.

5. Образование центров кристаллизации.

6. Кристаллизация.

Растворение минералов цемента идёт с разрушением структуры вещества и сопровождается поглощением тепла (эндотермические процессы), а гидратация - выделением тепла (экзотермические процессы).

Рассмотрим этапы взаимодействия зёрен цемента с водой.

Этап 1. (протекает в 2 стадии) Стадия 1.

Рис. 2

Частица цемента находится в воде затворения, которая начинает адсорбироваться на её поверхности. Стадия 2.

Рис. 3

Адсорбированная вода создаёт на частице поверхностное поле и становится структурированной, т.е. по своему строению приближается к твёрдому телу, в котором молекулы воды имеют определённую ориентацию, что изменяет её плотность до значения1,3…1,9 г/см3.

Этапы 2 и 3. (протекают параллельно в две стадии)

Стадия 1.

Рис. 4

Переход вещества в раствор в виде ионов и даже молекул, которые затем диссоциируют на ионы.

Стадия 2.

На этой стадии происходит гидратация ионов, и образуются основы гидратных фаз, т.е. тех фаз, которые в дальнейшем способствуют образованию субмикрокристаллов.

Этап 4.

Рис. 5

Жидкая фаза становится сильно пересыщенной новообразованиями - субмикрокристаллами. Содержание ионов (концентрация) распределяется неравномерно. Максимальная концентрация находится у поверхности зерна цемента в результате непосредственного присоединения воды к твёрдой фазе. При этом образуется «внутренний» продукт гидратации, а именно, внутренний гидросиликат (СSH),имеющийтонкую и плотную структуру.

Внешние продукты гидратации образуются через растворение вне зёрен цемента и состоят из небольшого количества внешнего гидросиликата, крупных кристаллов Са(ОН)2 и эттрингита 3CaO? AI2O3 ? 3CaSO4 ? 32H2O (гидросульфоалюминат кальция).

Этап 5. На этом этапе при повышенной температуре образование центров кристаллизации протекает в более короткие сроки. Происходит насыщение субмикрокристалловадсорбированной водой и плотность всей системы меняется.

Этап 6. Субмикрокристаллы за счёт гравитационных сил и увеличения размеров соединяются и образуют пространственную структуру. Цементное тесто в бетоне теряет пластичность и приобретает свойства твёрдого тела. Повышение температуры среды до 80…100оС ускоряет реакции гидратации и кристаллизации в 8…10 раз.

7. Структура бетона и их физико-механические свойства

Для обеспечения долговечной и нормальной эксплуатации бетон для железобетонных конструкций должен иметь необходимые для этого физико-механические свойства: - прочность; - хорошее сцепление с арматурой; - непроницаемость для защиты арматуры от коррозии; - специальные требования: морозостойкость, жаростойкость, коррозионная стойкость и др.

Прочность (способность сопротивляться воздействию внешних сил, не разрушаясь) бетона зависит от многих факторов: структуры, марки и вида цемента, водоцементного отношения, вида и прочности заполнителей, условий твердения, вида напряженного состояния, формы и размера образцов, длительности загружения.Прочность бетона нарастает с течением времени. Наиболее интенсивный ее рост происходит в начальный период твердения (28 суток).

Деформативность бетона

Под деформативностью твердых тел понимают их свойство изменять размер и форму под влиянием различных воздействий. Различают деформации двух основных видов:

· объемные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки, набухания, изменения температуры и влажности;

· силовые, развивающиеся вдоль направления действия сил (сжатие, растяжение, сдвиг).

Бетону свойственно нелинейное деформирование. Начиная с малых напряжений, в нем, кроме упругих деформаций, развиваются неупругие остаточные или пластические деформации. Поэтому силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и длительности ее действия подразделяют на три вида:

- при однократномзагружении кратковременной нагрузкой;

- при однократном длительном действии нагрузки;

- при многократно повторяющемся действии нагрузки.

Деформации при однократномзагружении кратковременной нагрузкой складываются из упругой деформации ееl и неупругой пластической деформации еpl .

Структура бетона оказывает большое влияние на прочность и деформативность бетона. Существенным фактором является количество воды, применяемой для приготовления бетонной смеси, оцениваемое водоцементным отношением В/Ц. Для химического соединения воды с цементом необходимо, чтобы В/Ц ? 0,2; однако для достижения достаточной подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси В/Ц=0,5…0,6 (подвижные бетонные смеси); В/Ц=0,3…0,4 (жесткие бетонные смеси). Избыточная химически несвязанная вода образует поры и капилляры вцементом камне, а затем, испаряясь, освобождает их. Таким образом, с уменьшением В/Ц уменьшается пористость цементного камня и прочность бетона увеличивается.

Структура бетона представляет собой пространственную решетку из цементного камня, заполненную зернами песка и щебня различной крупности и формы, пронизанную большим числом микропор и капилляров, которые содержат химически несвязанную воду, водяные пары и воздух.

8. Прочность бетона. Нарастание прочности во времени

В бетонном образце подвергнутом сжатию напряжения концентрируются на более жестких частицах, обладающих большим модулем упругости и в местах ослабленных порами. Вокруг пор и пустот по продольным площадкам возникают растягивающие структурные напряжения, уравновешиваемые сжимающими напряжениями. Схема напряженного состояния бетонного образца при сжатии характеризуется следующим образом: а) концентрация самоуравновешивающих напряжений вокруг пор; б) образование трещин разрыва бетона в поперечном направлении при осевом сжатии образца. Поскольку в бетоне много пор и пустот, растягивающие напряжения у соседних пор накладываются , таким образом кроме продольных сжимающих напряжений возникают поперечные растягивающие напряжения (вторичное поле напряжений). Концентрация местных растягивающих напряжений приводит к появлению и развитию микротрещин в бетоне, которые соединяются с ростом нагрузки, образуя видимые трещины параллельные направлению действия сжимающей силы. Трещины в дальнейшем раскрываются, наступает разрушение бетона.

Нарастание прочности бетона во времени. Опыты показывают, что прочность бетона увеличивается во времени и этот процесс может продолжаться годами (рис.). Однако степень повышения прочности связана с температурно-влажностными условиями окружающей среды и составом бетона. Наиболее быстрый рост прочности наблюдается в начальный период.Рост прочности бетона напрямую связан с его старением и поэтому зависит, по существу, от тех же факторов. Повышение температуры и влажности среды значительно ускоряют процесс твердения бетона. С этой целью железобетонные изделия на заводах подвергают специальной тепловлажностной обработке при температуре 80 ..90 °С и влажности 90... 100 % или автоклавной обработке при давлении пара около 0,8 МПа и температуре 170 °С В последнем случае проектная прочность бетона может быть получена уже через 12 часов.При температурах ниже +5 °С твердение бетона существенно замедляется, а при температуре бетонной смеси -10 °С практически прекращается. За 28 сут твердения при температуре -5 °С бетон набирает не более 8 % прочности бетона, твердеющего в нормальных условиях, при температуре 0 °С -- 40...50 %, при +5 °С - 70...80%. После оттаивания бетонной смеси твердение бетона возобновляется, но конечная прочность его всегда оказывается ниже прочности бетона, твердевшего в нормальных условиях. Бетоны прочность которых к моменту замерзания составляла не менее 60% от R28, после оттаивания в течение 28 суток набирают проектную прочность.

При хранении бетона в воде наблюдается более интенсивный рост прочности. В значительной степени это объясняется тем, что в бетоне не образуются поры от испарения воды, в которых давление паров воды направлено из бетона наружу. При водяном хранении давление направлено от внешней среды в бетон.

9. Прочность бетон при центральном сжатии. Кубиковая и призменная прочности бетона

Для определения прочности бетона на осевое сжатие обычно испытывают в прессе бетонные кубы с размером ребра 150 мм, характер разрушения которых обусловлен наличием или отсутствием сил трения, возникающих на контактных поверхностях между подушками пресса и гранями куба.

1. Несмазанный куб.

Силы трения между подушками пресса и гранями куба препятствуют свободным поперечным деформациям куба и соответственно упрочняют бетон сверху и снизу. По мере удаления от торцевых граней куба влияние сил трения уменьшается, поэтому после разрушения куб приобретает форму 2-х пирамид сверху и снизу.

1. Смазанный куб

Если устранить силы трения смазкой контактных поверхностей, прочность бетонного куба будет меньше, поперечные деформации проявляются свободно, трещины разрыва становятся вертикальными. Временное сопротивление сжатию бетона для куба с ребром 150 мм равно R, с ребром 200 мм - 0,93 R, с ребром 100 мм - 1,1R. Это объясняется изменением эффекта обоймы с изменением размеров куба.

Рис. 6 Характер разрушения бетонных кубов: а - несмазанный куб; б - смазанный куб; Д - поперечные деформации бетона

Рис. 7 Призменная прочность

Так как железобетонные конструкции по форме отличаются от кубов, основной характеристикой прочности бетона сжатых элементов является призменная прочность Rb - временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм. Призменная прочность меньше кубиковой, и она уменьшается с увеличением отношения h/a. Влияние сил трения на среднюю часть призмы уменьшается с увеличением ее высоты и при h/a=4 значение Rb становится стабильным и равно приблизительно 0,75R.

Прочность бетона при центральном сжатии. Как следует из опытов, если бетонный кубик из плотного бетона имеет достаточно однородное строение и правильную геометрическую форму, то разрушаясь под действием равномерно распределённой нагрузки он приобретает форму двух усеченных пирамид, сложенных малыми основаниями .Подобный характер разрушения (разрушение от среза) обусловлен значительным влиянием сил трения, которые развиваются между подушками пресса и торцовыми поверхностями образца. Эти силы направлены внутрь образца и препятствуют свободному развитию поперечных деформаций, создавая своеобразную обойму. Эффект обоймы по мере удаления от торцов образца уменьшается.

10. Прочность бетона при растяжении, срезе и скалывании

Прочность бетона на растяжение в 15…20 раз меньше, чем при сжатии. Повышение прочности бетона на растяжение может быть достигнуто увеличением расхода цемента, уменьшением В/Ц, применением щебня с шероховатой поверхностью. Временное сопротивление бетона осевому растяжению Rbt определяют испытаниями:

1) на разрыв - образцов в виде восьмерки

2) на раскалывание - образцов в виде цилиндров

3) на изгиб - бетонных балок. Когда нагрузка действует не на всю площадь элемента, а лишь на ее часть, местная прочность бетона оказывается выше. Повышение прочности объясняется удерживающим влиянием бетона ненарушенной части (бетонной обоимы).

Прочность при местном сжатии -Когда нагрузка действует не на всю площадь элемента, а лишь на ее часть, местная прочность бетона оказывается выше. Повышение прочности объясняется удерживающим влиянием бетона ненарушенной части (бетонной обоимы).Срез - разделение элемента на 2 части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы. Сопротивление бетона скалыванию возникает при изгибе балок до появления в них наклонных трещин.

При действии многократно повторяемых нагрузок прочность бетона сжатию под влиянием развития структурных микротрещин уменьшается. Предел прочности бетона (предел выносливости) Rf зависит от числа циклов нагрузки - разгрузки n и отношения попеременно возникающих минимальных и максимальных напряжений.

11. Классы и марка бетона по прочности на осевое сжатие, марки по морозостойкости и водонипроницаемости

Классом бетона по прочности на осевое сжатие B (МПа) называется временное сопротивление сжатию бетонных кубов с размерами ребра 150 мм, испытанных в соответствии со стандартом через 28 суток хранения при температуре 20±2оС с учетом статистической изменчивости прочности. В нормах на проектирование установлена обеспеченность (доверительная вероятность) 0,95. Для тяжелых бетонов установлены классы B 7,5 ч B 60. Класс бетона по прочности на осевое растяжение: Bt 0,8 ч Bt 3,2

Марка бетона по морозостойкости - характеризуется числом выдерживаемых бетоном циклов попеременных замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии. После определенного числа циклов производят испытания бетонных кубов на сжатие. Снижение прочности на 15 % при таком количестве циклов определяет марку бетона по морозостойкости. F 50 ч F 500. Марка бетона по водонепроницаемости - характеризуется предельным давлением воды (кг/см2 ), при котором еще не наблюдается ее просачивание через испытываемый стандартный образец. W 2 ч W 12.

12. Нормативные и расчётные сопротивления бетона. Коэффициенты условия работы

Нормативные сопротивления бетона - это сопротивление осевому сжатию бетонных призм (призменная прочность) Rbn и сопротивление осевому растяжению Rbtn, которые определяются в зависимости от класса бетона по прочности (при обеспеченности 0,95). Расчетные сопротивления бетона получают путем деления нормативных сопротивлений на соответствующие коэффициенты надежности по материалу

где bc- коэффициент надежности по бетону при сжатии, зависящий от вида бетона.

где bt- коэффициент надежности по бетону при растяжении, зависящий от вида бетона. bt1,5

При расчете элементов конструкций расчетные сопротивления бетона Rb и Rbt в отдельных случаях уменьшают или увеличивают умножением на соответствующие коэффициенты условия работы бетона гbi, которые учитывают следующие факторы: длительность действия нагрузки; многократную повторяемость нагрузки; условия, характер и стадию работы конструкции; способ ее изготовления; размеры сечения и т.д. Нормативное сопротивление бетонных призм осевому сжатию Rb,n(призменная прочность) определяется по нормативному значению кубиковой прочности с учетом зависимости, связывающей призменную и кубиковую прочность.

Нормативные сопротивления бетона осевому растяжению Rbt,nв случаях, когда прочность бетона на растяжение не контролируется, определяются по нормативному значению кубиковой прочности с учетом зависимости , связывающей прочность на растяжение с прочностью на сжатие.Расчетные сопротивления бетона для предельных состояний 2-ой группы Rb,serиRbt,ser определяются при коэфффициентах надежности гbс = гbt=1, т.е. принимаются равными нормативным сопротивлениям. Это объясняется тем, что наступление предельных состояний II группы менее опасно, чем I группы, поскольку оно, как правило, не приводит к обрушению сооружений и их элементов. При расчете бетонных и железобетонных конструкций расчетные сопротивления бетона в необходимых случаях умножают на коэффициенты условий работы гbi, учитывающие: длительность действия и повторяемость нагрузки, условия изготовления, характер работы конструкции и т. п.

Коэффициент условий работы учитывает факторы, не имеющие аналитического описания, но влияющие на точность расчетов конструкций:

- возможные потери материала от коррозии,

- несовершенство расчетной схемы,

- приближенный учет динамического характера нагрузки;

- влияние начальных несовершенств и т.д.

Коэффициент условий работы дифференцирован по видам элементов и характеру силовых воздействий.Для разных элементов одной конструкции он может иметь различные значения.Величина коэффициента условий работы в ряде случаев получена на основе статистической обработки, а в ряде случаев установлена умозрительно на основе опыта проектирования и эксплуатации конструкций.

13. Классификация и область применения арматурных сталей

Классификация арматурных сталей

1) По назначению:

- Рабочая арматура - воспринимает расчетные напряжения от нагрузок.

Рабочая арматура может быть:

- напрягаемая;

- ненапрягаемая.

Для плоских железобетонных элементов рабочую арматуру применяют в виде сеток.

- Конструктивная арматура - применяется для восприятия нагрузок, не подлежащих расчету (от температурных и усадочных деформаций), в большинстве случаев применяется в виде сеток.

- Монтажная арматура - используется для закрепления рабочей арматуры в проектном положении.

Разновидностью монтажной арматуры является - распределительная.

Распределительная арматура рассматривается как дополнительный элемент, с помощью которого распределяются усилия между стержнями рабочей арматуры.

2) По способу изготовления:

- горячекатаная (арматура класса А);

- холоднотянутая (арматурная проволока)- изготавливается способом холодного волочения (В500 (В-I); В1500 (В-II); Вр500 (Вр-I); Вр1500 (Вр-II).

3) По полноте проведения процесса раскисления (по степени раскисления):

- кипящие (КП);

- спокойные (СП);

- полуспокойные (ПС).

4) По гарантии механических и химических свойств:

- А - гарантируются механические свойства;

- Б - гарантируются химические свойства;

- В - гарантируются механические и химические свойства.

5) По виду профиля:

- гладкая (А240 (A-I), В500 (B-I), В1500 (B-II));

- периодического профиля (А300 (A-II), А400 (A-III), А600 (A-IV), А800 (A-V), А1000 (A-VI), А1200 (A-VII), Вр500 (Bp-I), Вр1500 (Bp-II)).

Арматурная сталь периодического профиля представляет собой круглые стержни с двумя продольными ребрами и поперечными выступами.

Разрабатывается новый, более эффективный профиль для стержневой арматуры. Он отличается от обычного серповидной формой поперечных ребер.

Такая арматура имеет значительно меньше концентраторов напряжений на поверхности и более высокие показатели по выносливости.

Металлургической промышленностью освоено производство арматурной стали винтового профиля, стержни которой соединяют резьбовыми муфтами.

Арматурная сталь винтового профиля должна поставляться в комплекте с соединительными элементами:

- муфты;

- анкерные гайки;

- контргайки.

Применение такой арматуры позволяет отказаться от сварки, что особенно важно при производстве длинномерных предварительно напряженных конструкций с высокопрочной стержневой арматурой.

6) По свариваемости:

Свариваемость арматурных сталей обеспечивается технологией их изготовления и соблюдением всех требований по химическому составу.

Основная задача арматурных сталей - способность свариваться без снижения механических свойств.

- Хорошо свариваемые - относятся горячекатаные стали с малым содержанием углерода: Ст3, Ст5, 10ГТ (малоуглеродистые).

- Удовлетворительно свариваемые - низколегированные стали: 25Г2С, 35ГС, 20ХГ2Ц, 20ХГСЦ, 23Х2Г2Т.

- Не свариваемые - 80С.

- Ограниченно-свариваемые - относятся термически упрочненные стали: Ат600 (Ат-IV), Ат800 (Ат-V), Ат1000 (Ат-VI), так как высокая температура и окисление при сварке приводят к разупрочнению, а в некоторых случаях к повышению хрупкости стали.

7) По способу упрочнения:

- упрочненная вытяжкой;

- термически упрочненная.

8) По коррозионной стойкости:

- повышенная коррозионная стойкость (стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением);

- хорошая коррозионная стойкость;

- плохая коррозионная стойкость.

При увеличении содержания углерода в стали коррозионная стойкость уменьшается, поэтому высокопрочная проволока более подвержена коррозии, чем арматура из низкоуглеродистой стали.

Процессы коррозии сопровождаются снижением пластических свойств стали, особенно интенсивно протекают в напряженной арматуре, например при перерывах в бетонировании предварительно-напряженных конструкций или несвоевременном инъецировании каналов.

Область применения арматурных сталей.

Выбор арматурной стали следует производить в зависимости от типа конструкций, наличия предварительного напряжения, а также от условий возведения в эксплуатации здания или сооружения и с учетом необходимой унификации арматуры конструкции по классам, диаметрам и т. п.

1) В качестве ненапрягаемой арматуры ЖБ конструкций следует применять:

- стержневую арматуру класса Ат600с (Aт-IVс) - для продольной арматуры;

- стержневую арматуру классов А400 (A-III) и Ат400с (Aт-IIIс) - для продольной и поперечной арматуры;

- арматурную проволоку класса Вр500 (Вр-I) - для продольной и поперечной арматуры;

- стержневую арматуру классов А240 (A-I), А300 (A-II) и Ас300 (Aс-II) - для поперечной арматуры, а также для продольной арматуры, если другие виды ненапрягаемой арматуры не могут быть использованы;

- стержневую арматуру классов А600 (A-IV), Ат600 (Aт-IV) и Ат600к (Aт-IVк) - для продольной арматуры в вязанных каркасах и сетках;

- стержневую арматуру классов А800 (A-V), Ат800 (Aт-V), Ат800к (Aт-Vк), Ат800ск (Aт-Vск), А1000 (A-VI), Ат1000 (Aт-VI), Ат1000к (Aт-VIк), Ат1200 (Aт-VII) - для продольной сжатой арматуры, а также для продольной сжатой и растянутой арматуры при смешанном армировании конструкций (наличии в них напрягаемой и ненапрягаемой арматуры) в вязанных каркасах и сетках.

В качестве ненапрягаемой арматуры ЖБ конструкций допускается применять арматуру класса А540 (А-IIIв) - для продольной растянутой арматуры в вязаных каркасах и сетках.

Арматуру классов А400 (А-III), Ат400с (Ат-IIIс), Ат600с (Ат-IVс), Вр500 (Вр-I), А240 (А-I), А300 (A-II), Ас300 (Ac-II) рекомендуется применять в виде сварных каркасов и сеток.

Допускается использовать в сварных сетках и каркасах арматуру классов А540 (А-IIIв), Ат600к (Aт-IVк) (из стали марок 10ГС2 и 08Г2С) и Ат800 (Aт-V) (из стали марки 20ГС) при выполнении крестообразных соединений контактно-точечной сваркой.

2) В конструкция с ненапрягаемой арматурой, находящихся под давлением газов, жидкостей, сыпучих тел, следует применять стержневую арматуру классов A300, А240, А400, Ат400с и арматурную проволоку класса Вр500.

3) В качестве напрягаемой арматуры предварительно напряженных конструкций следует применять:

- стержневую арматуру классов A800, Aт800, Aт800к, Aт800ск, A1000, Aт1000, Aт1000к, Aт1200;

- арматурную проволоку классов В1500, Вр1500 и арматурные канаты классов К1400 и К1500.

В качестве напрягаемой арматуры допускается применять стержневую арматуру классов 540, A600, Aт600, Aт600с, Aт600к.

В конструкциях до 12 м включительно следует преимущественно применять стержневую арматуру классов Aт1200, A1000, Aт800 мерной длины.

Для армирования предварительно напряженных конструкций из легкого бетона классов В7,5 - В12,5 следует применять стержневую арматуру классов: A600, Aт600, Aт600с, Aт600к, А540.

4) В качестве напрягаемой арматуры предварительно напряженных ЖБ элементов, находящихся под воздействием газов, жидкостей, сыпучих тел, следует применять:

- арматурную проволоку классов В1500 и Вр1500 и арматурные канаты классов К1400 и К1500;

- стержневую арматуру классов A800, Aт800, Aт800к, Aт800ск, A1000, Aт1000, Aт1000к, Aт1200;

- стержневую арматуру классов A600, Aт600, Aт600с, Aт600к.

В таких конструкциях допускается применять также арматуру класса А540.

5) Для монтажных петель элементов сборных ЖБ и бетонных конструкций должна применяться горячекатаная арматурная сталь класса Ас300 (марки 10ГТ) и класса А240 (марок ВСт3сп2, ВСт3пс2)

14. Физико-механические свойства арматурных сталей

Они зависят от химического состава стали, из которой сделана арматура, способа изготовления и обработки.

Характеристики прочности и деформативности арматуры определяют по диаграмме , получаемой путём испытаний стандартных образцов. Арматурные стали условно подразделяются на "мягкие", основной гарантированной характеристикой которых является предел текучести уу, и "твёрдые" с основной гарантированной характеристикой в виде временного сопротивления разрыву уи.

Зависимость между напряжениями и деформациями при растяжении образцов горячекатаной арматуры из малоуглеродистой стали марки Ст3 ("мягкая" сталь) определяется следующей диаграммой (рис.).

Поскольку при сжатии диаграмма деформирования стали существенно отличается от диаграммы при растяжении (рис.), то для сжатых образцов с уверенностью можно говорить лишь о пределе текучести; величину временного сопротивления при сжатии установить практически невозможно.

.



Рис. 8 Диаграмма деформирования малоуглеродистой стали: а -- при растяжении; б -- при сжатии

Во избежание чрезмерных деформаций в конструкциях горячекатаная арматура может быть использована в них до напряжений уs < уу. Значит, основной характеристикой прочности для "мягких" сталей является уу, для "твёрдых" -- уи.

Увеличение содержания углерода в арматурной стали сверх 0,5% значительно снижает её пластические свойства и ухудшает свариваемость. Поэтому дальнейшее повышение уу и уи горячекатаной стали достигается легированием. В строительстве в основном применяются низколегированные арматурные стали с общим содержанием легирующих добавок обычно не более 2%.

Легированные стали переходят в пластическую стадию без площадки текучести. Для арматуры без физической площадки текучести определяется условный предел текучести у0,2, то есть напряжение, при котором остаточные относительные деформации 0,2%. Деформации е - 0,02% соответствуют пределу упругости (уе).

Однако, многие легирующие добавки, повышая прочность стали, одновременно снижают её деформативность, ухудшают свариваемость и др. полезные свойства, повышают стоимость.

В связи с этим для повышения прочности стали, кроме легирования используется также термообработка. При этом сначала осуществляется закалка арматурной стали (нагрев до температуры 800...900°С и быстрое охлаждение), а затем отпуск (нагрев до температуры 300...400°С и медленное плавное охлаждение). Причём закалке могут быть подвергнуты стали, содержащие не менее 0,25% углерода.

Упругие свойства металла определяются модулем упругости E = tg б, где б - угол наклона линии деформирования металла к оси абцисс и пределом упругости уе.

15. Расчетные сопротивления стержневой и проволочной арматуры, коэффициенты условий работы арматуры

Расчетные значения прочностных характеристик арматуры

Расчетные значения сопротивления арматуры растяжению определяют по формуле

, (5.10)

где - коэффициент надежности по арматуре, принимаемый равным:

для предельных состояний первой группы:

1,1 - для арматуры классов А240, А300 и А400;

1,15 - для арматуры класса А500;

1,2 - для арматуры класса В500;

1,0 - для предельных состояний второй группы.

Расчетные значения сопротивления арматуры растяжению приведены (с округлением) для предельных состояний первой группы в таблице 5.8, второй группы - в таблице 5.7. При этом значения для предельных состояний первой группы приняты равными наименьшим контролируемым значениям по соответствующим ГОСТ.

Расчетные значения сопротивления арматуры сжатию принимают равными расчетным значениям сопротивления арматуры растяжению, но не более значений, отвечающих деформациям укорочения бетона, окружающего сжатую арматуру: при кратковременном действии нагрузки - не более 400 МПа, при длительном действии нагрузки - не более 500 МПа. Для арматуры класса В500 граничные значения сопротивления сжатию принимаются с коэффициентом условий работы, равным 0,9 (таблица 5.8).

Таблица 1

Арматура классов	Расчетные значения сопротивления арматуры для предельных состояний первой группы, МПа
	растяжению	сжатию
	продольной	поперечной (хомутов и отогнутых стержней)
А240	215	170	215
А300	270	215	270
А400	355	285	355
А500	435	300	435 (400)
В500	415	300	415 (360)
Примечание - Значения в скобках используют только при расчете на кратковременное действие нагрузки.

В необходимых случаях расчетные значения прочностных характеристик арматуры умножают на коэффициенты условий работы , учитывающие особенности работы арматуры в конструкции.

Расчетные значения сопротивления поперечной арматуры (хомутов и отогнутых стержней) снижают по сравнению с путем умножения на коэффициент условий работы =0,8, но принимают не более 300 МПа. Расчетные значения (с округлением) приведены в таблице 5.8.

Коэффициент условия работы арматуры - коэффициент, учитывающий особенности работы арматуры в конструкции.

- коэффициент надежности по арматуре, принимаемый равным 1,15 для предельных состояний первой группы и 1,0 - для предельных состояний второй группы.

Коэффициенты условий работы ненапрягаемой арматуры следует принимать по таблице 13, а напрягаемой арматуры - по действующим нормативным документам (см. СП 63.13330).

Таблица 2

Факторы, обуславливающие введение коэффициентов условий работы арматуры	Коэффициенты условий работы арматуры
	Условное обозначение	Значение
Многократное повторение нагрузки		См. 5.32
Железобетонные элементы		1,1
Сталежелезобетонные конструкции (открытые и подземные)		0,9
Примечание - При наличии нескольких факторов, действующих одновременно, в расчет вводится произведение соответствующих коэффициентов условий работы.

Коэффициент условий работы арматуры при расчете по предельным состояниям второй группы принимается равным единице.

5.32 Расчетные сопротивления ненапрягаемой стержневой арматуры при расчете на выносливость следует определять по формуле

, (17)

где - коэффициент условий работы арматуры, определяемый по формуле

(18)

и принимаемый не более 1,0.

Здесь - коэффициент условий работы арматуры при числе циклов нагружения .

Значения определяются:

для арматуры классов A-I, А-II, А-III по формуле (19),

для других классов арматуры - по СП 63.13330.

16. Арматурные изделия, соединения арматурных стержней. Напрягаемая арматура

Стержневую арматуруизготовляют гладкого профиля (из-за малой эффективности выпуск ее сокращается) и периодического с расположением выступов по винтовой линии или елочкой. Арматуру подразделяют в зависимости от технологии изготовления на горячекатаную (делится на 5 классов от A-1 до A-VI по старому обозначению -по новому обозначению А-240 (А-1), А300 (А- III),А400 (А- IV), А800 (АV), А1000 (АV1)) и горячекатаную с последующим упрочнением вытяжкой в холодном состоянии, она имеет 2 класса - А-Пв и А-Шв.