Лекция №3. Физико-механические свойства железобетона. Три стадии напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов.

3.1. Физико-механические свойства железобетона

Сцепление арматуры с бетоном.

В железобетонных конструкциях скольжение арматуры в бетоне не происходит благодаря сцеплению материалов.

Сцепление – комплекс физико-механических явлений на поверхностях контакта арматуры и бетона, обеспечивающих их совместную работу.

Прочность сцепления арматуры с бетоном обеспечивается за счет следующих факторов:

• механического зацепления бетона за неровности и выступы арматуры периодического профиля (75%);

• трения по поверхностям контакта (15÷20%);

• склеивание по поверхности (5÷10%).

Прочность сцепления возрастает с повышением класса бетона, уменьшения В/Ц, а также с увеличением возраста бетона.

С увеличением диаметра стержня и напряжения в нем _s прочность сцепления при сжатии возрастает, а при растяжении – уменьшается.

Защитный слой бетона.

Защитный слой бетона (рис. 3.1) в железобетонных элементах создается размещением арматуры на некотором удалении от поверхности элемента.

Назначение защитного слоя бетона – обеспечение совместной работы арматуры с бетоном на всех стадиях: изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций, а также защита арматуры от внешних воздействий, высокой температуры, агрессивной среды и т.д.

На основании опыта эксплуатации железобетонных конструкций толщину защитного слоя устанавливают в зависимости от вида и диаметра арматуры, размера сечений элемента, вида и класса бетона, условий работы конструкции и т.д.

Рис. 3.1. Размещение арматуры в поперечном сечении балок (с1 – защитный слой бетона для продольной арматуры; с2 – то же, для поперечной).

Согласно действующим в настоящее время Нормам толщина защитного слоя для продольной ненапрягаемой арматуры должна быть не менее диаметра стержня и не менее:

- 10÷15 мм – в плитах и стенках;

- 15÷20 мм – в балках и ребрах;

- 20 мм – в колоннах;

- 30 мм – в фундаментных балках.

Для поперечной, распределительной и конструктивной – не менее диаметра указанной арматуры и не менее: 10 мм – при высоте сечения элемента h250 мм, 15 мм – при h250 мм.

Для возможности свободной укладки в форму цельных арматурных стержней, сеток или каркасов, идущих по всей длине или ширине изделия, концы этих стержней должны отстоять от грани элемента при соответствующем размере изделия до 9 м – на 10 мм, до 12 м – на 15 мм, свыше 12 м – на 20 мм.

Усадка железобетона.

В железобетонных конструкциях стальная арматура вследствие ее сцепления с бетоном становится внутренней связью, препятствующей усадке бетона. Согласно опытным данным усадка и набухание железобетона в ряде случаев вдвое меньше, чем усадка и набухание бетона (рис. 3.2).

а)	б)
		Рис. 3.2. Деформации усадки образцов (а – бетон-ного, б – железобетонного): sl – деформация свободной усадки бетонного элемента; sl,s – деформация стесненной усадки армиро-ванного элемента.

При усадке в арматуре появляются сжимающие напряжения, а в бетоне – растягивающие. Если растягивающие напряжения достигают временного сопротивления на растяжение R_bt, то появляются трещины. Вероятность появления усадочных трещин в железобетонных элементах выше, чем у бетонных.

Для уменьшения дополнительных усилий от усадки на железобетонные конструкции промышленных и гражданских зданий большой протяженности устраивают усадочные швы, разделяющие здания на блоки.

Ползучесть железобетона.

Ползучесть железобетона является следствием ползучести бетона. Стальная арматура препятствует свободному развитию ползучести бетона. Стесненная ползучесть в железобетонном элементе под нагрузкой приводит к перераспределению усилий между арматурой и бетоном. Этот процесс интенсивно протекает в течение первых месяцев, а затем в течение длительного времени (более года) затухает.

На работу железобетонных элементов ползучесть бетона оказывает следующее влияние:

-  в коротких сжатых элементах обеспечивает полное использование прочности бетона и арматуры;

-  в гибких сжатых элементах – вызывает увеличение начальных эксцентриситетов, что может снизить их несущую способность;

-  в изгибаемых элементах – вызывает увеличение прогибов;

-  в предварительно напряженных конструкциях – приводит к потере предварительного напряжения.

Коррозия железобетона.

Коррозионная стойкость железобетонных элементов зависит от плотности бетона и степени агрессивности среды.

Коррозия бетона, имеющего недостаточную плотность, может происходить от воздействия фильтрующей, особенно мягкой воды, которая растворяет составляющую цементного камня – гидрат окиси кальция. Внешним признаком такой коррозии бетона являются белые хлопья на его поверхности.

Другой вид коррозии бетона – воздействие на него кислот и кислых солей (особенно опасна H₂SO₄), которые реагируют с цементным камнем, а продукты реакций занимают больший объем (белые потеки, трещины).

Коррозия арматуры обычно протекает одновременно с коррозией бетона. Продукты коррозии стали имеют больший объем (в 2÷3 раза), чем арматура, в результате чего создается значительное радиальное давление на окружающий слой бетона, и вдоль арматурных стержней возникают трещины и сколы бетона с частичным обнажением арматуры.

Методы защиты от коррозии:

• назначение правильной величины защитного слоя бетона;

• применение плотных бетонов;

• применение кислотостойких бетонов;

• защита поверхности бетона обмазочными и обклеивающими материалами.