Глава 9. Сборные бетонные и железобетонные изделия

9.1 Общие сведения о железобетоне

Железобетон, как ни один другой материал, является важным формообразующим элементом современной архитектуры. Приоритет в его изобретении принадлежит французам (вторая половина Х1Х столетия). Причем первыми изобретателями железобетона стали далеко не специалисты и даже люди без инженерного образования (садовник, юрист, штукатур). Поэтому первоначально этот материал на французском языке называли «zementarme» (вооруженный цемент) и уже несколько позднее на немецком – «stahlbeton» (сталебетон).

Вместе с тем называть железобетон материалом можно только с большой долей условности. Железобетон – это, прежде всего изделие, элемент конструкции или сама конструкция, т.е. это конгломератная структура, в которой выгодно сочетается совместная работа двух материалов – бетона и стали (арматуры). Причем один из этих материалов (бетон) воспринимает сжимающие усилия, а второй (сталь) – растягивающие, предотвращая тем самым образование в бетоне трещин и разрушение конструкции. Неодинакова роль этих материалов и в формировании внешнего облика изделий и конструкций, а в целом зданий и сооружений. Бетон, как правило, определяет содержание лицевой поверхности конструкций, ее эстетику, а арматура (арматурные каркасы) – их форму и объемное восприятие.

Совместная работа этих совершенно разных по свойствам материалов в одном изделии стала возможной благодаря совпадению ряда положительных факторов:

• надежному сцеплению бетона и арматуры;

• почти одинаковым коэффициентам температурного расширения бетона и стали, что обеспечивает монолитность конструкциям;

• бетон не только не оказывает вредного воздействия на арматуру, но и предохраняет ее от коррозии.

В зависимости от способа армирования и состояния арматуры различают железобетонные изделия с обычным армированием и предварительно напряженные.

9.2 Предварительно напряженный железобетон

При обычном армировании избежать образования трещин, в особенности, микротрещин в растянутой зоне конструкции практически не удается вследствие малой предельной растяжимости бетона. Растяжимость бетона составляет 1…2 мм на 1 м, а стали – в 5…6 раз больше при одних и тех же нагрузках. Следовательно, при приложении внешних сил увеличивается прогиб конструкции, в бетоне образуются трещины, в трещины проникают газы, влага и в результате создается опасность коррозии арматуры.

Однако избежать образования трещин можно, если предварительно в зоне растяжения конструкции сжать бетон. В предварительно сжатом бетоне трещины появятся только в том случае, если растягивающие напряжения превысят напряжения предварительного сжатия. А сжатие бетона можно достичь предварительным растяжением арматуры. И такие конструкции называют предварительно напряженными. Напрягать арматуру следует в пределах упругих деформаций, т.е. 85…90% от предела текучести.

Различают несколько способов предварительного напряжения конструкций.

Если напряжение арматуры осуществляется до затвердевания бетона, то ее в этом случае укладывают в опалубку, растягивают и закрепляют. Затем укладывается бетонная смесь, изделие формуется и после затвердевания бетона или приобретения бетоном определенной прочности арматура освобождается от натяжения. В результате она стремится сократиться и обжимает бетон.

Если напряжение арматуры производится после затвердевания бетона, то в процессе формования изделия в бетоне специально готовятся каналы, в которые затем укладывают арматуру. Арматуру растягивают, закрепляют на концах анкерными устройствами, а промежутки между стенками канала и арматуры заполняют инъекционным раствором или антикоррозионной мастикой.

Напряжение арматуры может осуществляться и в процессе затвердевания бетона. В этом случае используется способность бетонов, приготовленных на расширяющихся и напрягающих цементах, увеличиваться при твердении в объеме.

Напряжение арматуры может осуществляться как механическим путем, так и электротермическим.

Для предварительного напряжения конструкций применяют бетоны высоких классов и высокопрочную арматурную сталь. Для лучшего сцепления с бетоном используют арматуру периодического профиля.

Предварительное напряжение арматуры не только предупреждает появление трещин в растянутой зоне бетона, но и позволяет снизить массу железобетонных конструкций, увеличить их жесткость, повысить долговечность и сократить расход арматуры.