Союз бетона и стали – современный железобетон

ЧТО ТАКОЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОН

Говоря коротко, железобетон — это тот же бетон, усиленный металлической арматурой. Или, если совсем просто, армированный бетон. Если порошок цементного камня превращает зерна наполнителя в единый монолит, то арматура — стальные прутки или проволока — способна усиливать будущий материал, в значительной степени принимая приходящиеся на конструкцию нагрузки на себя.

РАБОЧАЯ И МОНТАЖНАЯ АРМАТУРА

Арматуру принято подразделять на рабочую и монтажную. Рабочая располагается в нижней части железобетонных конструкций, работающих на изгиб: плит перекрытий, балок, подошв фундаментных блоков. Монтажная арматура создает рабочий скелет объекта, фиксирует расположение стержней рабочей арматуры, способствует закреплению закладных деталей и монтажных петель. В настоящее время широкое распространение получил напряженный железобетон, внутри которого арматура замоноличивается в частично растянутом виде. Плиты перекрытий и несущие балки строительных конструкций работают на изгиб, и находящаяся внутри них арматура таким образом выпрямляется, позволяя элементам конструкций выдерживать существенные нагрузки.

ПОЯВЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Но все это современные материалы. Железобетон как таковой появился в Европе в конце позапрошлого века и был запатентован во Франции. Прочный материал, конструкциям из которого можно было придать почти любую форму, быстро нашел применение и в Российской империи. Например, известный архитектор Городецкий, бывший к тому же владельцем цементного завода, выполнил ряд проектов в Киеве — Национальный художественный музей, «Дом с химерами», костел Святого Николая — с широким применением железобетонных конструкций; возведенные согласно этим проектам здания позже получили статус памятников архитектуры, а тогда демонстрировали современникам многочисленные достоинства нового строительного материала.

КОРОТКО О ТЕХНОЛОГИИ

С тех пор технологии производства железобетонных конструкций существенно усовершенствовались. Например, производство железобетона методом экструзии — формирование без опалубки — позволяет получать плиты перекрытий длиной до 18 метров. Их изготавливают на формовочных стендах большой длины, а затем разрезают дисковой пилой под нужным углом, чтобы получить конструкцию необходимых размеров. Экструдеры и другие производственные механизмы — слипформеры — позволяют изготавливать и уже упомянутые изделия предварительного напряжения — такие, как сваи, напели, ригеля, лотки и балки разного сечения.

Развитие технологии многоэтажного строительства методом сборно-монолитного каркаса дало толчок производству плит для несъемной опалубки. Они представляют собой конструкции из бетона разных форм и размеров с несущими каркасами. Выступающая из таких плит технологическая арматура на месте работ заливается монолитным бетоном, обеспечивая всей несущей конструкции высокую прочность и сцепляющую силу. Такой способ перекрытия совместил в себе преимущества двух методов строительства — с применением готовых элементов и с использованием бетонирования перекрытий с местной опалубкой. Стоимость строительства при использовании этого метода снижается почти на треть, а время на монтаж зданий сокращается в полтора, а то и в два раза. При этом возможности применения различных архитектурно-планировочных решений становятся намного шире, а кроме того, сейсмоустойчивость подобного здания значительно повышается.

Сочетание бетона и стали, которое представляет собой железобетон, появилось в связи с потребностью улучшить прочность бетонных конструкций на растяжение. Дело в том, что эта характеристика у бетона в десять и более раз меньше, чем прочность на сжатие. Чтобы улучшить ее, в зону растяжения добавляют армирование в виде стальных стержней. Затвердевая, бетон сцепляется с ними — и при возникновении нагрузок оба материала работают вместе, переносимость нагрузки на растяжение у конструкции при этом существенно улучшается.

ОСНОВНЫЕ ДОСТОИНСТВА

Железобетон относительно стоек к температурным воздействиям. Дело в том, что и у бетона, и у арматуры вполне сопоставимые коэффициенты линейного расширения, поэтому вплоть до температуры в сто градусов по Цельсию внутренние напряжения, возникающие в асфальтобетоне, очень и очень незначительны.

Малая теплопроводность бетона изолирует арматуру от существенных температурных перепадов. Плотность бетона защищает ее от проявлений коррозии. Таким образом, два материала в одном изделии способны служить в течение долгого времени: бетон, имеющий высокую прочность при сжимающих нагрузках, и металлическая арматура, компенсирующая нагрузки на растяжение (и иногда также на сжатие). Такое эффективное взаимодействие становится возможным благодаря надежному сцеплению между ними. В основе совместной работы этих материалов — наличие надежного сцепления между ними. Сцепление на квадратный сантиметр поверхности арматуры обусловлено склеивающими силами бетона и стали арматуры, по большому счету, от сил трения, вызванных усадкой бетона, обжимающего арматуру, а также от присутствия на поверхности последней неровностей, тормозящих скольжение до того времени, пока не будет преодолено сопротивление срезу бетоном. Чтобы усилить это сцепление, на концах арматуры выполняют крюки, а на ее гладкой поверхности придают периодический профиль; кроме того, в тех же целях используют сварные сетки и каркасы, а иногда и особые анкеры.

При повышении температуры выше отметки в сто градусов по Цельсию прочность железобетона уменьшается — и при 250 градусах она ниже уже на четверть. При дальнейшем увеличении температуры происходит дегидратация минералов цементного камня и наполнителя, а при температуре в 500—600 градусов Цельсия бетон просто рассыпается. По этой причине бетонные и железобетонные конструкции, подвергающиеся в ходе эксплуатации воздействию экстремально высоких температур, выполняются с применением особых жаростойких бетонов, способных выдерживать нагревание до 1700 градусов и выше.

Свойственные бетону ползучесть и усадка для железобетонных изделий имеют большое значение. Сцепление бетона с арматурой препятствует свободной усадке бетона, при этом возникают собственные напряжения: сжимающие — в арматуре, растягивающие — в бетоне. Чтобы избежать образования трещин при усадке и последующих температурных колебаниях, выполняются так называемые деформационные швы, которыми конструкция большой протяженности делится на части.

Другое свойственное бетону качество — ползучесть — в железобетонных конструкциях вызывает вдвое меньше деформаций благодаря армированию. В элементах конструкций, подверженных постоянной нагрузке, происходит перераспределение ее сил: напряжение в бетоне становится меньшим, а в арматуре, напротив, возрастает — что в целом не снижает предельную прочность всего элемента конструкции. Если говорить точнее, в изгибаемых железобетонных конструкциях ползучесть со временем приводит к нарастанию прогибов, в статичных системах — к перераспределению усилий между составляющими систему элементами.

НЕДОСТАТКИ

Пожалуй, главный из недостатков, присущих железобетону, — возможность появления трещин. Они могут образоваться вследствие перенапряжения материала, связанного с перегрузкой или опорной осадкой а также в результате усадочной деформации бетона. В то же время строительная практика показывает, что правильный расчет помогает избежать образования трещин — как минимум, таких, которые угрожают монолитности железобетона.

Собственно, предварительно напряженный железобетон, о котором говорилось выше, и появился благодаря намерению избежать трещин. Этот материал, напомним, получают искусственным обжатием бетона в местах, где из-за влияния нагрузки возникают напряжения растягивания.

Говоря о других недостатках железобетона, часто также отмечают значительную собственную массу изделий из этого материала — в среднем она составляет около двух с половиной тонн на кубический метр. Определенные сложности связаны с ограниченными возможностями усиления и изменения возведенных конструкций, проделыванием отверстий и так далее.

На этом, пожалуй, и все. Так что достоинства железобетона существенно перевешивают его недостатки. В числе самых главных положительных качеств этого материала — высокие свойства сопротивления динамическим и статическим нагрузкам, огнеупорность, гигиеничность, долгий срок службы, малые расходы на ремонт и возможность выполнить из железобетона конструкции нужной конфигурации. Что касается долговечности, кроме уже названной защищенности арматуры от доступа воздуха плотностью бетона отметим также химическое воздействие, оказываемое на нее цементным раствором: при его твердении происходит щелочная реакция, что предохраняет сталь от окисления.

РАЗНОВИДНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Кроме обычного и предварительно напряженного железобетона, свойств и особенностей которых мы уже коснулись, изделия, выполненные из этого материала также принято подразделять в зависимости от материалов, которые применяются при их изготовлении. Так, легкий железобетон отличается применением керамзита в качестве инертного материала, жаростойкий выполняется с применением особых марок цемента и жидкого стекла; также известен ячеистый железобетон — армированный пено- и газобетон и даже армопластобетон с использованием связующей основы из органики, что придает ему стойкость к воздействию агрессивных сред. Готовые конструкции из железобетона могут быть сборными, что позволяет максимально механизировать и существенно ускорить строительство; к тому же изготовление таких изделий в заводских условиях позволяет применить такие технологии приготовления раствора, его укладки и обработки, которые непосредственно на месте строительства просто невозможно реализовать.

Монолитные железобетонные конструкции применяют при строительстве сооружений, которые не поддаются разделению — к ним относятся, например, некоторые виды гидротехнических сооружений, тяжелые фундаменты и так далее.

И, наконец, сборно-монолитные конструкции из железобетона, как это ясно по их названию, сочетают монолитный бетон и сборные элементы, укладываемые на объекте. Закладные детали позволяют соединить части таких конструкций между собой как с помощью бетона, так и посредством сварки металлических элементов.

Производству железобетона — как на месте строительства, так и на специализированных предприятиях (заводах ЖБИ) — будет посвящена отдельная статья в одном из будущих номеров журнала. Вообще же к теме железобетона как одного из наиболее широко используемых в современном строительстве материалов мы на страницах нашего издания вернемся еще не раз.