Залізобетон.

Властивості залізобетону залежать не тільки від властивостей бетону і арматури, але також від кількості арматури, її розміщення у конструкції, наявності попереднього напруження тощо.

Звичайний залізобетон із-за незначної міцності бетону на розтяг володіє низькою тріщиностійкістю. Наприклад, в балках при навантаженні, що становить всього 0,2–0,3 від руйнуючого, в розтягнутій зоні бетону вже утворюються тріщини, які в більшості випадків не перешкоджають нормальній експлуатації конструкцій, якщо до них не пред'являються вимоги водонепроникливості і або підвищеної корозійної стійкості.

Тріщиностійкість залізобетону збільшується при незосередженому (дисперсному) армуванні (частому розташуванні арматури малих діаметрів або коротких кусків канатного дроту) і особливо в результаті попереднього напруження конструкції.

Для оцінки напруженого стану, при якому відбувається утворення тріщин, можна скористатися даними про граничні деформації при розтягу.

При достатньо хорошому і безперервному за довжиною зчепленні арматури припускають, що деформації бетону і арматури в будь-якій точці на поверхні їх контакту рівні, і, отже, перед появою тріщин

.

(17.21)

Арматура при таких деформаціях працює пружно і напруження в ній підпорядковується закону Гука, тому отримаємо:

МПа

(17.22 )

Отже, для забезпечення відсутності тріщін у залізобетонній конструкції необхідно обмежити напруження в арматурі відносно низьким значенням, менше 0.1 межі текучості для сталі класу А400С, або виконати спеціальні заходи (наприкладпопереднє напруження арматури). Зрозуміло, що такий стан речей не є економічно виправданим. Як показали експериментальні дослідження і практика експлуатації залізобетонних конструкцій в різних середовищах, що наявність тріщин обмеженої величини практично не впливає на довговічність і експлуатаційну надійність конструкцій.

Видимі тріщини (~0,05 мм) з'являються при навантаженнях, менших експлуатаційних, в зонах найбільшого розтягуючого напруження і поступово їх розкриття збільшуються в міру зростання напруження у арматурі. Ширина розкриття тріщин не повинен перевершувати величини, яка вказана у нормах.

Можливість підвищення напруження при допустимому розкритті тріщин залежить від якості зчеплення арматури з бетоном.

Зчеплення арматури з бетоном забезпечується адгезією між арматурою і цементним каменем, силами тертя, що виникають на поверхні арматури, внаслідок обтиснення стрижнів при усадці бетону, опором бетону зрізу за наявності виступів на поверхні арматури і спеціальними анкерними пристроями на кінцях стрижнів.

При висмикуванні або продавлюванні стрижня, закладеного в бетон, сили зчеплення мають змінне значення по довжині закладення, досягаючи найбільших значень t_сц.тах на деякій відстані від початку закладання стрижня (рис 17.23).

Середнє (умовне) напруження зчеплення

tсц.усл = P/Ul3,

(17.23)

деU – периметр стержня; – довжина заанкерення стрижня.

залежить в основному від складу бетону (зростає з підвищенням класу, щільності і віку бетону, вмісту в нім цементу і т. п.) і характеру поверхні стрsжнів арматури. За даними дослідів при гладкій круглій арматурі і для бетонів класу C15/20 і менше = 2,5…4 МПа. Зчеплення арматури періодичного профілю з бетоном в 2–3 рази вище, ніж зчеплення гладкої арматури.

Із зменшенням периметра U опір стержня ковзанню збільшується, що підвищує тріщиностійкість залізобетону. Збільшення довжини закладання стержня до певної межі веде до зменшення , проте при = 15...20 d опір висмикуванню практично залишається незмінним.

Опір ковзанню стиснутого стрижня (при продавлюванні) дещо вище, ніж при висмикуванні, завдяки збільшенню поперечних розмірів стрижня при стиску. Досліди показують, що із збільшенням діаметру стержня і напруження в ньому, міцність зчеплення, при стиску збільшується, а при розтягу зменшується. Звідси випливає, що для кращого зчеплення арматури з бетоном при конструюванні залізобетонних елементів діаметр розтягнутих стержнів слід обмежувати.

Завдяки зчепленню арматура і бетон в навантаженій конструкції деформуються спільно; між ними постійно відбувається перерозподіл внутрішніх зусиль відповідно до пружнопластичних і фізичних властивостей бетону і сталі. Усадка і повзучість залізобетону виявляються значно меншими, ніж в неармованому бетоні, завдяки зчепленню бетону з арматурою, що перешкоджає розвитку усадки і повзучості.

Вплив усадки і повзучості бетону. Арматура завдяки зчепленню з бетоном перешкоджає вільному прояву, деформацій усадки і повзучості бетону. Внаслідок усадки в бетоні виникають розтягуючі напруження а в арматурі напруження стиску. При несимметричному армуванні в бетоні можуть виникнути не тільки розтягуючі, але і стискаючі напруження. Оскільки процес усадки протікає без зовнішнього навантаження, бетон і арматура при цьому утворюють самоурівноважену механічну систему: стискаюче зусилля в арматурі рівне розтягуючому зусиллю в бетоні.

Із збільшенням кількості арматури стискаючі напруження в ній зменшуються, а напруження розтягу в бетоні збільшується. При значному насиченні перерізу арматурою розтягуючі напруження досягають межі міцності і в бетоні можуть виникнути тріщини навіть за відсутності зовнішнього навантаження.

Рис. 17.23. Зчеплення арматури з бетоном

Якщо в симетрично армованому елементі розвинеться деформація від усадки вільного бетону рівної е_сs, (рис. 17.24), то деформація арматури е_s буде менша на значення деформації розтягу бетону е_ct, таким чином

При цьому, зусилля в бетоні буде рівне зусиллю в арматурі:

(17.25)

Звідки

.

(17.26)

Приймаючи до уваги, що для арматури у_s=_, адля розтягнутого бетону , де- коефіціент повноти епюри напружень, отримаємо, використовуючи вираз (17.24):

;

(17.27)

Звідки

(17.28)

Якщо задатися деформацією усадки рівною при цьому =, тоз виразу (17.28) можна знайти коефіцієнт армування, при якому з'являються тріщини від впливу усадки бетону. Зазвичай, приймають найбільшою і постійною для всіх класів бетону – 30·10^-5 щ також незалежно від класу бетону приймається 0,5. Обчислені при цих значеннях коефіцієнти армування виходять високими, наприклад для бетону класу С16/20 – м_s = 0,041; для класу С25/30 – м_s = 0,058 і т.д. Усе сказане вище засноване на припущені про рівномірну усадку бетону по всьому перерізу конструкції. Проте, в реальних умовах усадка бетону по перерізу нерівномірна і суттєво зростає біля поверхності конструкції. При твердінні в сухому середовищі і неможливості або недостатності зволоження відкритих поверхонь конструкції завжди можуть з’явитися усадкові тріщини.

Усадкові напруження можуть викликати утворення тріщин у бетоні залізобетонних елементів. У зв'язку з цим при проектуванні конструкцій великої протяжності потрібно передбачати деформаційні шви.

Рис. 17.24. Напружено-деформований стан залізобетонного елемента від усадки бетону

Аналогічну дію на конструкцію викликають і температурні деформації, що виникають при змінах температури середовища. Тому температурні і усадково-деформаційні шви, зазвичай, суміщають і називають температурно-усадковими швами. Проте у стадії руйнування елементу, коли бетон розтягнутої зони пронизаний тріщинами, вплив початкового (власного) усадкового напруження на граничну міцність статично визначного елементу практично зникає. У залізобетонному елементі при тривалій дії навантаження в результаті повзучості бетону відбувається перерозподіл зусиль між бетоном і арматурою. Наприклад, в стиснутомуу симетрично армованому елементі внаслідок повзучості бетону напруження в арматурі збільшуються, а в бетоні − зменшуються. В результаті напруження в арматурі можуе досягти значень, близьких до межі текучості.

У ранній період застосування залізобетонних конструкцій вплив усадки і повзучості при проектуванні не враховувався. Проте у міру накопичення знань з'ясувалося істотне їх значення для роботи залізобетону, і в даний час врахування усадки і повзучості здійснюється на різних етапах проектування. Як найповніше це враховується при розрахунку попередньо напружених конструкцій, ефективність яких в значній мірі залежить від деформацій усадки і повзучості.

Корозія залізобетону визначається корозією бетону, а за деяких умов і корозією арматури, яка може розвиватися під дією рідких і газоподібних агресивних речовин, а також води, що фільтрується через пори і тріщини бетону. Корозія сталі супроводжується збільшенням її об'єму порівняно з первинним, що викликає відколювання захисного шару бетону. Розрізняють три види корозії бетону (за В. М. Моськвіним). До першої групи відносяться процеси, що виникають під дією води з малою жорсткістю, коли у воді, що фільтрується через бетон, відбувається пряме розчинення складових частин цементного каменя, в першу чергу гідрата окислу кальцію.

Процеси другої групи обумовлені дією розчинених у воді або в повітрі хімічних речовин, які вступають в обмінні реакції зі складовими цементного каменю. Продукти таких хімічних реакцій або залишаються на місці у вигляді аморфної маси, або в розчиненому вигляді виносяться водою.

До третьої групи відносяться процеси, пов'язані з «освітою» і накопиченням в порах і капілярах нерозчинних солей. Їх кристалізація веде до значних зусиль в цементному камені, що приводить до руйнування бетону.

У реальних умовах, зазвичай, спостерігається корозія всіх трьох видів, іноді з переважанням якого-небудь з них.

Найбільш шкідливі для бетону солі кислот, особливо сірчаної кислоти, оскільки вони утворюють в цементі сульфат кальцію і алюмінію. Зокрема, сульфатоалюминат кальцію – «цементна бацила», легко розчиняючись, збільшується в об'ємі в 2,5 разу і витікає у вигляді білого слизу, створюючи столоктити на поверхні бетону.

Дуже агресивні води, що містять сірчанокислий кальцій; до них відносяться і грунтові води, в яких є такі відходи виробництва, як гіпс, шлак і т.п.

З кислот найбільш небезпечна соляна і азотна; дещо більш сповільнене, але також руйнуюча дія надає сірчану і сірчисту кислоти.

Натрієві і калійні луги менш шкідливі для бетонів унаслідок їх повільної дії. Морська вода при систематичній дії робить шкідливий вплив на бетон, оскільки містить сульфат магнезії, хлористу магнезію і інші шкідливі солі.

Найбільш проста і дієва міра оберігання бетону від впливу агресивного середовища − збільшення його щільності. Щільність бетону досягається підбором зернового складу заповнювачів, пониженням водоцементного відношення і ретельним ущільненням при укладанні.

Підвищенню щільності сприяють добавки траса, шлакової або кам'яної муки до 20–30 % маси цементу.

За наявності агресивних середовищ і підвищеної вологості товщина захисного шару бетону для сталевої арматури повинна бути збільшена, а заставні вироби повинні бути забезпечені спеціальними антикорозійними покриттями.

Опір залізобетону дії високих температур залежить від тривалості його дії.

Короткочасна дія на конструкцію високих температур або вогню виникає, наприклад, при пожежах.

Вогнестійкість залізобетонного елементу оцінюється межею вогнестійкості (у год.) тобто часом, після закінчення якого при пожежі наступають втрати несучої здатності елементу, утворення тріщин, через які вогонь здатний проникати в сусідні приміщення, або нагріваючи до 150°С незверненій до вогню поверхні. Межа вогнестійкості залізобетонних елементів залежить від розмірів перерізу, конструктивної схеми елементу, виду арматури, способу армування, особливо від товщини захисного шару. Залізобетон відноситься до вогнестійких матеріалів, здатних протистояти при пожежі високим температурам протягом декількох годин без істотної втрати міцності.

При тривало діючих високих температурах до залізобетонних конструкцій (фундаменти доменних печей, димарі тощо.) пред'являють вимоги жаростійкості. В цьому випадку або застосовують спеціальну ізоляцію конструкцій (футеровку), або, що економічніші і надійніші, залізобетонні конструкції виготовляють з жаростійкого бетону.

При дії на залізобетонні конструкції високих температур товщину захисного шару бетону збільшують і призначають з урахуванням спеціальних нормативних вимог.

Щільність залізобетону складається з маси бетону і маси арматури. Щільність залізобетону на особливо важкому бетоні приймається більш Д 2500 кг/м³; щільність залізобетону на важкому бетоні при укладанні бетонної суміші з вібрацією приймається Д 2500 кг/м³, без вібрації Д 2400 кг/м³. Щільність залізобетону з бетону на пористих заповнювачах приймається від Д 1800 до Д 2200 кг/м³. Щільність залізобетону на легкому бетоні приймається від Д 500 до Д 1800 кг/м³ включно.

При значному вмісті арматури (понад 3%) щільність залізобетону підраховують як суму мас бетону і арматури, що даються на одиницю об'єму конструкції.

Захисний шар бетону. Товщина захисного шару бетону для робочої арматури повинна забезпечувати спільну роботу арматури з бетоном на всіх стадіях виготовлення, монтажу і експлуатації конструкції, а також захист арматури від зовнішніх атмосферних, температурних і тому подібних дій.

Захисний шар бетону, це відстань від поверхні арматури до найближчої поверхні бетону (включаючи з'єднання, поперечні стрижні і приповерхневе армування, при наявності). Номінальний захисний шар (с_nom) вказується у робочих кресленнях. Він визначається за величиною мінімального захисного шару с_min, який регламентується нормами, та допустимих проектних відхилень ∆с_dev:

с_no =с_min+∆с_dev, (17.29)

Мінімальний захисний шар бетону всіановлюється з метою забезпечення:

- безпечної передачі зусиль зчеплення;

- захисту арматурної сталі від корозії (довговічність);

- необхідної межі вогнестійкості (див. ДБН В.1.2.-7).

При призначені величини захисного шару бетону необхідно вибирати більшу з величин, що задовольняє вимогам стосовно зчеплення і впливу умов навколишнього середовища.

с_min = max {с_min,b; с_min,dur +∆с_dur,г – ∆с_dur,st – ∆с_dur,add }≥ 10 мм, (17.30)

де: с_min,b – мінімальний захисний шар за вимогами зчеплення; с_min,dur – мінімальний захисний шар за вимогами умов середовища; с_dur,г – врахування надійності при застосуванні добавок; с_dur,st – зменшення мінімального шару при застосуванні нержавіючої сталі; с_dur,add – зменшення мінімального шару при додатковому захисті.

Для надійної передачі зусиль зчеплення та забезпечення необхідного ущільнення бетону мінімальний захисний шар повинен бути не меншим, ніж с_min,b, наведений у табл. 17.5.

При напруженні арматури на бетон товщина захисного шару, с_min,b, повинна перевищувати:

- при круглому перерізі каналу – величину діаметру;

- при прямокутному – більше із двох значень: меншу сторону чи половину більшої.

- якщо розміри круглого або прямокутного каналу перевищують 80 мм, то вказані вимоги не застосовуються.

При напруженні арматури на упори рекомендовані величини с_min,b становлять:

- 1,5 діаметр канату або гладкого дроту;

- 2,5 діаметр стрижня періодичного профілю.

Таблиця 17.5.