Тема 5.2 Железобетон как строительный материал.

Бетон и арматура

Железобетон представляет собой материал, состоящий из бетона и стали, работающих совместно. Бетон хорошо работает на сжатие и плохо на растяжение, поэтому сталь (арматуру) размещают в бетоне так, чтобы она воспринимала растягивающие усилия.

Благодаря хорошему сцеплению между бетоном и стальной ар­матурой, а также почти одинаковым коэффициентам их темпера­турного расширения железобетонные элементы в виде плит, ба­лок, стоек, арок хорошо работают в строительных конструкциях.. Кроме того, стальная арматура, находясь в бетоне, не подверга­ется ржавлению. В современных железобетонных мостах применя­ют два вида армирования. Стержни арматуры могут быть уста­новлены в бетон без придания им каких-либо начальных усилий. Такую арматуру называют ненапрягаемой, а железобетон с этой арматурой—железобетоном с ненапрягаемой арматурой (или обычным железобетоном). Арматура может быть подвергнута на­чальному натяжению и в таком виде введена в железобетонную конструкцию. Тогда бетон будет обжат реактивными усилиями натянутой арматуры. Такую арматуру называют напрягаемой, а железобетон с этой арматурой предварительно напряженным.

Бетон. В железобетонных мостах применяют бетон на порт­ландцементе, сульфатостойком портландцементе, глиноземистом цементе и др.. Портландцемент наиболее употребителен для ответ­ственных сооружений. Сульфатостойкий портландцемент и глинозе­мистый цемент применяют в конструкциях, которые могут подвер­гаться действию морской, минерализованной и болотной воды или другим агрессивным химическим воздействиям, вредно влияющим па портландцемент. Качество цемента определяется его маркой или так называемой активностью. Активность (марка) цемента — это предел прочности на сжатие кубика из цементного раствора в возрасте 28 дней. В мостах обычно применяют цементы с актив­ностью от 30 до 60 МПа.

Бетон конструкций мостов подбирают в зависимости от требуе­мых условий прочности, морозостойкости, а в некоторых случаях водостойкости и водонепроницаемости конструкции. При этом

должны учитываться размеры, долговечность и значимость соору­жения, а также условия его работы.

Проектные марки бетона по прочности при сжатии характери­зуются прочностью при сжатии (в кгс/см²) кубов размером 15x15x15 см в возрасте 28 дней при хранении их в условиях, аналогичных условиям твердения изготавливаемых конструкций. В мостах применяют бетон М-200, М-250, М-300, М-350, М-400, М-450, М-500, М-550, М-600, М-700 и М-800. В предварительно напряженных железобетонных конструкциях применяют бетоны не ниже М-350—М-450, в зависимости от вида применяемой арматуры.

Прочность бетона в момент его обжатия предварительно на­пряженной арматурой должно быть не менее 30 МПа независимо от марки бетона, принятой для конструкции.

Проектная марка бетона по морозостойкости соответствует числу циклов попеременного замораживания и оттаивания, после которых его прочность на сжатие снижается не более чем на 10—15%. Для конструкций железобетонных мостов предусмотрены марки по морозостойкости Мр100, Мрз150, Мрз200 и Мр300, а в особо тяжелых условиях Мрз400 и Мр600. Проектная марка бе­тона по морозостойкости назначается в зависимости от среднеме­сячной температуры воздуха наиболее холодного месяца в районе сооружения и зоны расположения рассматриваемой части конст­рукции: над водой, в зоне переменного уровня, под водой, в зоне вечной мерзлоты и т. п.

Проектная марка бетона по водонепроницаемости соответствует давлению воды (в кгс/см²), при котором еще не наблюдается ее просачивание через образец бетона в возрасте 28 суток, испытанного по специальному режиму. Эта марка должна быть не ниже В4 в подводных и подземных частях, и не ниже В6. в водопропускных трубах, элементах дорожной одежды проезжей части и переходных плитах.

Конструкции мостов возводят из тяжелого, вибрированного бе­тона со средним удельным весом 23,0 кН/м³ на заполнителе из пес­ка и щебня или гравия прочных естественных пород. Средний удель­ный вес железобетона зависит от насыщения бетона стальной арма­турой и может определяться (в кН/м³). Обычно средний удельный вес железобетона составляет около 24,5 кН/м³. Допускается по специальным нормам применять легкий бетон с заполнителем из керамзита или других материалов; средний удельный вес таких бетонов составляет около 18 кН/м³.

Марка (кубиковая прочность) бетона на сжатие служит услов­ной характеристикой прочности бетона. Действительная прочность бетона в конструкции может быть полнее оценена прочностью на сжатие бетонных образцов в виде призм, высота которых превыша­ет поперечный размер в 3,5 раза или более. Призменная прочность тяжелого бетона составляет 70—80% его кубиковой прочности. Прочность бетона при растяжении невелика и обычно в 10—15 раз меньше его кубиковой прочности при сжатии. На скалывание (срез)

бетон работает лучше, чем на растяжение. Предел прочности па скалывание примерно в 2,5 раза больше предела прочности на ра­стяжение.

Необходимая прочность, плотность, морозостойкость и долговеч­ность бетона достигаются соответствующим подбором его состава.

Наибольшее влияние на прочность и плотность бетона оказывает количество и активность цемента, а также отношение массы воды к массе цемента, называемое водоцементным отношением (В/Ц).

Активность применяемого цемента обычно в 1,3—1,8 раза более проектной марки бетона на сжатие. Расход цемента на 1 м³ бето­на должен быть не менее 250 кг, а в конструкциях, соприкасаюшихся с водой,— не менее 270 кг. Излишнее количество цемента мо­жет вредно влиять на бетон, вызывая большие деформации ползу­чести и усадки, и быть причиной образования в нем трещин. Поэто­му в конструкциях мостов не допускают расхода цемента более 450 кг на 1 м³ бетона. Увеличение водоцементного отношения умень­шает прочность бетона, поэтому следует уменьшать количество во­ды для его затворения. Однако при малом количестве воды бетон­ная смесь получается очень жесткой и ее укладка и уплотнение за­трудняются. Для мостов применяют обычно бетонные смеси с во­доцементным отношением не более 0,6—0,65. При уплотнении бетонной смеси длительным выбрированием могут применяться жест­кие смеси с В/Ц = 0,3.

Увеличение пластичности (подвижности) бетонной смеси при ук­ладке достигается добавлением в нее специальных веществ — пла­стификаторов.

Арматура. В железобетонных мостах применяют следующие ос­новные виды арматуры:

горячекатаные гладкие круглые стержни класса А-1, марок ВСтЗсп2, ВСтЗпс2 и ВСтЗГпс2, диаметром от 6 до 40 мм или марок СтЗсп3, СтЗпс3, СтЗкпЗ, ВСтЗкп2, диаметром 6—10 мм. Горячекатаные стержни периодического профиля класса А-П, марок ВСт5сп2, ВСт5пс2, 18Г2П, диаметрами от 10 до 40 мм; горячеката­ные стержни периодического профиля класса А-1П, марок 25Г2С и 35ГС, диаметром 6—40 мм, класса А-1У марок 20ХГ2Ц и 80С, диа­метром 10—22 мм и класса А-V марки 23Х2Г2Т, диаметром 10— 22 мм;

термически упрочненные стержни периодического профиля клас­сов Ат-1V, Ат-V и Ат-V1, диаметром 10—25 мм;

высокопрочная холоднотянутая гладкая проволока класса В-П, диаметром 3—8 мм;

высокопрочная холоднотянутая проволока периодического про­филя класса Вр-II, диаметром 3—8 мм;

арматурные канаты из высокопрочной проволоки класса А-7 (семипроволочные пряди), диаметром 9—15 мм;

канаты спиральные, двойной свивки или закрытые.

Горячекатаные круглые стержни прокатывают из углеродистой мартеновской и кислородно-конверторной стали. Горячекатаные стержни периодического профиля имеют поверхность со специальными выступами, увеличивающими ее сцепление с бетоном. Лучшая связь с бетоном дает возможность допускать в арматуре большие растягивающие напряжения без опасности растрескивания окру­жающего бетона. Поэтому арматуру периодического профиля про­катывают из более прочной углеродистой стали.

Длина стержней диаметром более 12 мм обычно составляет 6— 12 м (до 18 м). Более тонкая арматура поступает в мотках большой

длины.

Холоднотянутая проволока имеет высокий предел прочности (до 1600—1900 МПа), при этом чем меньше диаметр проволоки, тем

больше его прочность.

Стержни классов от А-1 до А-1V применяют в конструкциях без предварительного напряжения арматуры. Стержни классов А-1V, от Ат-1V до Ат-VI, высокопрочную проволоку, пряди и канаты приме­няют в предварительно напряженных железобетонных конструк­циях.

Для монтажной арматуры допускается применение стержней

более низкой марки ВСт2сп.

Удельный вес стальной арматуры составляет 77 кН/м³. Упругие и пластические свойства арматуры и бетона. Арматура железобетонных конструкций в эксплуатационных условиях рабо­тает как упругий материал.

Напрягаемая арматура, находящаяся в условиях интенсивной работы, дает некоторые пластические деформации и теряет часть начального напряжения. Это явление называют релаксацией напря­гаемой стали.

Бетон представляет собой материал, не подчиняющийся про­стейшим законам упругости. Так, модуль упругости бетона изменя­ется (уменьшается) с увеличением напряжений. Модули упругости на сжатие и растяжение различны. Величина модуля упругости за­висит от марки бетона, возрастая с ее повышением. Так как проч­ность бетона увеличивается с течением времени, модуль упругости зависит и от возраста бетона.

Коэффициент линейного расширения бетона и арматуры счита­ется одинаковым и равным 0,00001 1/град.

Бетон имеет и некоторые специфические свойства. При твердении бетона изменяется его объем. На воздухе объем уменьшается — происходит усадка бетона, а в воде набухает. Усадка бетона тем больше, чем больше содержание в нем цемента. Применение быстротвердеющих и высокопрочных цементов увели­чивает усадку. Увлажнение твердеющего бетона уменьшает усадку благодаря замедлению высыхания его поверхности. Усадка проис­ходит наиболее сильно в течение первого года с момента твердения бетона, в дальнейшем ее нарастание постепенно приостанавлива­ется. При свободном развитии усадки конечная величина относи­тельного укорочения бетона может достигать 0,0003—0,0004. Арма­тура задерживает развитие усадки, причем в арматуре возникают сжимающие напряжения, а в бетоне — растягивающие. Эти напря­жения могут вызвать в бетоне трещины, которые называют усадоч­ными.

-Кроме усадки, бетон имеет свойство давать неупругие деформа­ции под влиянием длительно действующих на него нагрузок — пол­зучесть. Деформации ползучести тем больше, чем дольше дей­ствует нагрузка и чем выше напряжения в бетоне.

Ползучесть проявляется сильнее в молодом бетоне, чем в старом. Деформации ползучести нарастают наиболее интенсивно в течение •одного-двух лет с момента загружения бетона длительно действую­щей нагрузкой. В дальнейшем ползучесть постепенно приостанавли­вается. Полная относительная деформация ползучести бетона через три-четыре года может достигать величины порядка 1,5 0, где а — длительно действующее напряжение в бетоне (в Па). С увеличени­ем прочности бетона, уменьшением содержания в нем цемента и ве­личины водоцементного отношения ползучесть бетона уменьшается. Арматура железобетонных конструкций препятствует свобод­ному развитию ползучести. В результате этого происходит перерас­пределение усилий между бетоном и арматурой, приводящее к до­полнительному сжатию (потере предварительного натяжения) ар­матуры и растяжению бетона.

Деформации ползучести могут заметно увеличить прогибы кон­струкции.