2. Бетон как материал для изготовления жбк

Сочетание бетона и стали в железобетоне  и их совместная работа под нагрузкой обуславливается удачным сочетанием физико-механических свойств этих материалов. Во-первых, при твердении бетона между ним и стальной арматурой возникает сильное сцепление. Во-вторых, сталь и бетон обладают близкими по значению коэффициентами температурного расширения. В силу этих двух причин в железобетонных конструкциях, при их деформировании под нагрузкой, не происходит проскальзывания арматуры относительно бетона.  Наконец, слой бетона защищает стальные арматурные стержни от коррозии.

Железобетон получил широкое распространение в строительстве благодаря ряду своих положительных свойств. Он прочен,  причем его прочность со временем возрастает, долговечен, огнестоек, стоек к влиянию атмосферных воздействий, хорошо сопротивляется динамическим нагрузкам, требует минимума эксплуатационных расходов. Бетон дешев и доступен, так как может быть приготовлен из местных строительных материалов, песка и щебня или гравия. Для архитекторов особенно важно то, что железобетонным конструкциям можно придавать любые, самые изощренные пространственные формы. К недостаткам железобетона  можно отнести большой собственный вес, большие тепло- и звукопроводность, появление трещин в эксплуатационной стадии, сложность производства работ в зимний период и плохая ремонтоспособность.

Рис.1.1 Деформирование бетонной балки  под нагрузкой:

а – бетонная балка; б – балка с армированием; 1 – нейтральная ось;2 – трещина;

3 – сжатая зона сечения балки; 4 – растянутая зона; 5 - арматура

Несмотря на отмеченные недостатки, железобетонные конструкции являются базой современного строительства. Из него возводятся промышленные и сельскохозяйственные здания, тепловые и атомные электростанции, гидротехнические сооружения, тоннели и шахты, а также гражданские здания самого различного назначения. Из железобетона возводятся большепролетные тонкостенные конструкции (складки, оболочки, купола), мосты  и эстакады, инженерные сооружения:  трубы, башни, резервуары и т.д.

По способу возведения  железобетонные конструкции бывают монолитные, сборные и сборно-монолитные. Монолитные  изготавливаются непосредственно на строительной площадке (отливаются в опалубке), сборные изготавливаются на заводах и затем монтируются на строительной площадке, сборно-монолитные собираются из сборных элементов и омоноличиваются.  Преимущество сборных железобетонных элементов в том, что они изготавливаются на заводах, где возможен строгий контроль качества изделий, их производство и монтаж не зависят  от климатических условий, они обеспечивают  высокий уровень производительности труда на строительной площадке. Недостатком является наличие монтажных швов, выполняемых  в основном на электросварке. Это во-первых, понижает жесткость всего сооружения, во-вторых, требует защиты этих швов от коррозии. Для возведения монолитных железобетонных конструкций требуется предварительное  устройство опалубки и ее раскрепление. Затем в опалубке устанавливается арматура и далее производится укладка бетона. Все эти операции более трудоемки, чем производство и монтаж сборных конструкций, однако монолитные конструкции обладают большей жесткостью, их можно сделать водонепроницаемыми и процесс укладки бетонной смеси может быть успешно механизирован. При дополнительном электропрогреве монолитные железобетонные конструкции можно возводить и в зимнее время. Сборно-монолитные конструкции объединяют в себе основные преимущества сборных и монолитных конструкций. Омоноличивание стыков сборных элементов позволяет сохранять жесткость всего сооружения на уровне монолитного, обеспечивает лучшую водонепроницаемость, чем у сборного сооружения, обеспечивает защиту стыков от коррозии и    позволяет экономить на опалубочных работах за счет использования сборных элементов в качестве опалубки. Существуют, однако, некоторые виды конструкций в которых опалубочные работы можно свести к минимуму. Например, комплексные конструкции перекрытий в которых монолитная железобетонная плита устраивается поверх профилированного стального настила или при возведении резервуаров для хранения жидкостей  в которых железобетонная стена резервуара облицовывается стальными листами, которые могут слу4жить опалубкой. Если к стальной облицовке  приварить анкерные стержни, то она включается в работу конструкции как несущий элемент, что значительно сокращает стоимость всего сооружения и увеличивает несущую способность конструкции.

Итак, одним из материалов составляющих железобетон является бетон. Для применения в железобетонных конструкциях бетон должен обладать вполне определенными физическими и механическими характеристиками  –  прочностью, хорошим сцеплением с арматурой, плотностью строения для защиты арматуры от коррозии, а также рядом спецефических  свойств, зависящих от назначения конструкции – таких как морозостойкость, жаростойкость, стойкость к воздействию агрессивных агентов и др.

 Бетон образуется в процессе твердения бетонной смеси. Бетонную смесь составляют: вяжущее (как правило – цемент), вода и инертные заполнители (песок, щебень или гравий или искусственные заполнители). Иногда песок называют мелким заполнителем, а щебень - крупным. Смесь цемента с водой (цементное тесто) в процессе твердения образует сначала цементный гель, который обволакивает заполнители, а затем и цементный камень. Прочность бетона целиком определяется прочностью и пористостью цементного камня и зависит от водоцементного отношения (В/Ц), т.е. весового соотношения цемента и воды в единице объема бетонной смеси. Однако это свойство реализуется только в том случае, если в процессе изготовления бетона обеспечивается его плотность. Цементное тесто и песок составляют цементный раствор. Так вот, объем цементного теста должен быть не меньше объема пор в песке, а объем цементного раствора не меньше объема пор в крупном заполнителе. В противном случае в бетоне образуются  межзерновые пустоты, которые снизят его прочность. Таким образом, при плотном бетоне, чем меньше цемента по отношению к воде, тем больше прочность цементного камня. Для протекания химических процессов при образовании цементного камня достаточно В/Ц = 0,2, однако при таком малом количестве воды бетонная смесь по консистенции  будет очень жесткой и из технологических соображений количество воды увеличивают. По консистенции бетонные смеси бывают подвижными и жесткими. Подвижные смеси получаются при  В/ Ц > 0,5 и эти смеси при укладке заполняют опалубку под действием силы тяжести, тогда как жесткие смеси требуют применения механической вибрации. Избыточная вода в процессе дальнейшего твердения бетона частично связывается с цементом, увеличивая прочность бетона, а частично испаряется, образуя поры в цементном камне. Следовательно, с точки зрения консистенции жесткие смеси образуют бетоны с большей прочностью, требуют меньшего расхода цемента, что снижает затраты, зато требуют применения вибрации при укладке, что эти самые затраты увеличивает.

Бетоны классифицируют по многим признакам, однако для несущих конструкций в основном различают тяжелые и легкие бетоны. Тяжелый бетон средней плотности (от 2200 кг/м³ до 2500 кг/м³) получают, используя крупный заполнитель в виде щебня из твердых горных пород – гранита, диабаза, песчаника, известняка и др. и мелкий заполнитель в виде кварцевого  песка. Если в качестве заполнителей используют природные или искусственные пористые материалы – перлит, пемзу, керамзит, шлак и им подобные  получают легкий бетон с плотностью до 2200 кг/м³. Отметим также, что бетоны различают по гранулометрическому составу заполнителей – крупно- и мелкозернистые и по способу твердения – естественное или твердение при тепловой обработке или пропаривании.

Очень важными характеристиками бетона является его деформативность и прочность.  Деформативность бетона, как и других строительных материалов определяется зависимостью между деформациями и напряжениями. Эта зависимость определяется при испытании бетонных призм. На рис.1.2  представлена зависимость «деформация – напряжение» при растяжении и сжатии бетонного образца. Нагрузка на призму прикладывается этапами. На каждом этапе нагружения замеры деформаций производят дважды: сразу после приложения нагрузки и спустя определенное время. Первый замер дает величину упругого деформирования  µ_t,  второй полного деформирования  µ_b.

      Рис.1.2. Диаграмма зависимости  Г – µ  при сжатии и растяжении бетона:

            1 – пластические деформации; 2 – упругие деформации; 3 – растяжение; 4 - сжатие

  Разность между этими величинами характеризует деформирование бетона во времени при постоянной нагрузке и называется деформацией ползучести µ_pl . Деформации ползучести носят затухающий характер, однако они могут в несколько раз превышать упругие деформации. Если соединить результаты замера полных деформаций на значительном количестве этапов получим гладкую кривую, которая характерна для упругопластического материала. В строительных нормах в качестве величины характеризующей упругие свойства бетона приводится значение начального модуля упругости E_b. Этот начальный модуль упругости  соответствует мгновенным деформациям при приложении нагрузки и равен тангенсу угла наклона кривой деформирования в начале координат, рис.1.2. Что касается прочности, то гидратация цемента в твердеющем бетоне протекает в течение долгого времени (десятки лет) и все это время его прочность возрастает. Однако это процесс затухающий и в строительной практике договорились рассматривать прочностные свойства естественно твердеющего бетона в возрасте 28 суток. Прочность бетона получают испытанием на сжатие образцов в виде куба определенных размеров. Такую прочность принято называть кубиковой. В реальных конструкциях один размер всегда преобладает над другими и принято оперировать в расчетах понятием призменная прочность. Призменная прочность меньше кубиковой, так как  в призме исключается влияние способа приложения нагрузки на торцах образца.

Несколько слов об усадке бетона. Бетон во влажной среде увеличивается в объеме, а при высушивании уменьшается. Это его свойство называется усадкой. Оно особенно проявляется в период твердения и затухает после первого года существования конструкции. Величина усадки зависит от количества цементного теста в объеме бетона: чем его больше, тем больше усадка. Поэтому в начальный период твердения бетона его необходимо увлажнять, иначе возможно возникновение усадочных трещин. Наряду с температурными деформациями усадка также служит причиной того, что в протяженных железобетонных и бетонных конструкциях необходимо устраивать деформационные швы.

Для целей проектирования бетонных и железобетонных конструкций в  строительных нормах устанавливаются показатели различных бетонов в виде классов и марок, основными из которых являются:

             класс по прочности на сжатие - B,

             класс по прочности на осевое растяжение - B_t,

             марка по морозостойкости – F,

             марка по водонепроницаемости – W.            

Классом бетона по прочности на осевое сжатие, является временное сопротивление сжатию стандартного образца в виде куба с ребром 15 см., испытанного в возрасте 28 дней при естественном твердении при температуре 20^о C. Для тяжелого бетона установлены классы от В3,5 до В60. Это означает, что бетон В60 имеет временное сопротивление сжатию 60 МПа (600 кг/см²). Однако на практике уже существуют и применяются бетоны класса В90, например, при строительстве высотных зданий и эти классы оговариваются специальными техническими условиями.

Класс по прочности на осевое растяжение устанавливается испытанием специальных образцов имеющих форму восьмерок. Для всех бетонов класс по прочности на растяжение  установлен от B_t 0,8  до  B_t3,2.

Марка по морозостойкости F  (для тяжелого бетона от F50 до F500) определяет число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое увлажненный бетон способен выдержать при снижении прочности не более чем на 15%.

Марка по водонепроницаемости  от W2 до W12 устанавливается при применении бетона для конструкций требующих водонепроницаемости. Цифры в названии марки означают давление воды (кгс/см²) которое должен выдерживать стандартный образец из бетона без признаков просачивания.