Общие сведения о железобетоне и его свойствах
Железобетоном называют составной метериал из бетона и стали, которые при воздействии внешних сил или других факторов, вызывающих внутренние напряжения, работают совместно, как одно целое. Будучи искусственным камнем, бетон хорошо сопротивляется сжатию и много хуже (в 8—20 раз) растяжению. Это значительно ограничивает область применения неармированного бетона.
Неармированный бетон избегают применять в тех конструкциях или их элементах, которые работают на растяжение или изгиб, так как размеры таких элементов были бы непомерно большими. Для того чтобы избежать таких нерациональных конструкций, в растянутой зоне бетонного элемента помещают стальные стержни (арматуру), которые и воспринимают растягивающие усилия. Сжимающие усилия обычно воспринимаются бетоном. Армирование во многих случаях может оказаться выгодным и в сжатых элементах.
Совместная работа таких различных по своим механическим и физическим свойствам материалов, как сталь и бетон, возможна по следующим причинам:
1. При затвердении бетон прочно сцепляется с арматурой, в результате чего образуется монолитный железобетонный элемент, в котором при работе смежные волокна бетона и стали получают одинаковые деформации.
2. Бетон и сталь обладают почти одинаковыми коэффициентами температурного удлинения (в бетоне он колеблется от 7-10-6 до 14-10-6, а в стали он равен 12-10-6), вследствие чего колебания температуры не нарушают монолитности железобетона.
3. Бетон, обволакивающий стальную арматуру, в обычных условиях является хорошей и надежной защитой стали от коррозии.
Однако низкая прочность бетона на растяжение и малая растяжимость его до разрыва являются крупными недостатками этого материала, значительно снижающими строительные качества железобетона.
Наиболее полного использования несущей способности высокопрочных материалов можно достичь лишь созданием в железобетонных конструкциях предварительного сжатия бетона в растянутой зоне до приложения основных нагрузок. Такие конструкции называются предварительно напряженными.
При применении предварительно напряженного железобетона можно рационально использовать высокопрочные стали и бетоны, что дает большой экономический эффект за счет уменьшения веса и размеров железобетонных элементов.
Предварительные напряжения в бетоне достигаются следующим образом: перед бетонированием конструкции арматуру специальными натяжными приспособлениями растягивают и закрепляют на упорах или формах, затем бетонируют конструкцию. Арматуру удерживают в натянутом состоянии до тех пор, пока бетон не приобретает достаточную прочность (обычно 70% полной требуемой прочности). После того как бетон достигнет достаточной прочности, арматуру освобождают от упоров, и она, стремясь укоротиться, сжимает бетон. Передача усилий от арматуры бетону происходит вследствие сцепления между арматурой и бетоном, а также, если этого сцепления недостаточно, при помощи специальных анкерных устройств.
Железобетон как строительный материал обладает рядом ценных свойств. Прочность бетона в железобетонных конструкциях с течением времени не только не уменьшается, но даже увеличивается. Железобетон обладает значительной упругостью и хорошо сопротивляется динамическим нагрузкам. Он является одним из наиболее огнестойких материалов. В случае пожара сравнительно небольшой защитный слой бетона предохраняет арматуру от быстрого нагрева до опасной температуры и коррозии.
К недостаткам железобетонных конструкций следует отнести их большой собственный вес и малую трещиноустойчивость в растянутой зоне. Наличие трещин в железобетоне может привести к коррозии арматуры и разрушению конструкции.
По способу выполнения железобетонные сооружения разделяются на монолитные, сборные и сборно-монолитные.
При сооружении монолитных железобетонных конструкций на месте работ возводится деревянная опалубка, в нее помещается стальной арматурный каркас и затем производится бетонирование. Сооружения из монолитного бетона просты по конструкции, но им свойственны такие недостатки, как большая трудоемкость работ, сложность изготовления в зимнее время, большой расход лесоматериалов и необходимость длительного выдерживания бетона в опалубке. Все это снижает темпы строительства и удорожает его.
В настоящее время монолитными выполняются лишь сооружения, трудно поддающиеся расчленению, или сооружения с большим числом нестандартных элементов. К ним относятся железобетонные фундаменты под специальные опоры, а также защитные сооружения для линий электропередачи в горных районах.
При возведении сооружений из сборного железобетона на рабочих площадках производится сборка конструкций из элементов, изготовленных на специальных заводах или полигонах. Основным преимуществом сборных конструкций является возможность высокой механизации и индустриализации изготовления элементов и монтажа всей конструкции. Массовое механизированное производство сборных элементов дает возможность применять более совершенную технологию их изготовления (вибропрессование, вакуумирование, центрифугирование, предварительное напряжение арматуры и т. п.).
При монтаже элементов опор линий электропередачи из сборного железобетона стали возможными такие наиболее прогрессивные методы строительства, как строительство ЛЭП специализированными колоннами и др. Кроме того, при сборном железобетоне отпадает надобность в опалубке, упрощается производство работ в зимнее время. Особенно эффективен сборный железобетон при возможности сооружения типовых конструкций из отдельных многократно повторяющихся элементов. В настоящее время значительная часть оснований опор линий электропередачи, а также значительная часть опор выполняются из сборного железобетона. Сборно-монолитные сооружения, где сборные железобетонные конструкции выполняют роль опалубки или отдельных несущих элементов, применяются при строительстве гидротехнических сооружений или на уникальных переходах ВЛ через большие реки.
