ГИА 2020 ЖБК / 5

Железобетон

 Сцепление арматуры с бетоном. Сцепление арматуры с бетоном является одним из фундаментальных свойств железобетона, которое обеспечивает его существование как строительного материала. Сцепление обеспечивается: склеиванием геля с арматурой; трением, вызванным давлением от усадки бетона; зацеплением за бетон выступов и неровностей на поверхности арматуры. Выявление влияния каждого из этих факторов затруднительно и не имеет практического значения, так как они действуют совместно. Однако наибольшую роль в обеспечении сцепления (70...80 %) играет зацепление за бетон выступов и неровностей на поверхности арматуры (рис. 1.9, а).

При выдергивании стержня из бетона (рис. 1.9,6) усилия с арматуры на бетон передаются через касательные напряжения сцепления τ_bd, которые распределяются вдоль стержня неравномерно. Наибольшие их значения τ_bd,max действуют на некотором расстоянии от торца элемента и не зависят от длины заделки стержня в бетоне l_an. Для оценки сцепления используют средние напряжения на длине заделки

Рис. 1.9. Сцепление арматуры с бетоном

Для обычных бетонов и гладкой арматуры τ_bd,m = 2,5...4 МПа, а для арматуры периодического профиля τ_bd,m ≈7 МПа. С увеличением прочности бетона τ_bd,m возрастает. Выражая продольное усилие через напряжение в арматуре (см. рис. 1.9, б), из формулы (1.10) получают

Из формулы (1.11) видно, что длина заделки, при которой обеспечивается сцепление (зона анкеровки), должна быть тем больше, чем выше прочность арматуры и диаметр стержня, и может быть уменьшена при увеличении τ_bd,m. Для уменьшения 1_an (в целях экономии металла) следует ограничивать диаметр растянутой арматуры, повышать класс бетона и применять арматуру периодического профиля.

Нормами проектирования значение сцепления не устанавливается, но даются рекомендации по конструированию, которые обеспечивают надежное сцепление арматуры с бетоном.

Анкеровка арматуры в бетоне. Анкеровка — это закрепление концов арматуры внутри бетона или на его поверхности, способное воспринять определенное усилие. Анкеровка может осуществляться либо силами сцепления, либо специальными анкерными устройствами на концевых участках, либо теми и другими совместно.

Анкеровка арматуры периодического профиля обеспечивается силами сцепления. Анкерные устройства на концах такой арматуры применяют в редких случаях. Для гладкой круглой арматуры, наоборот, сцепление недостаточно, и устройство крюков на концах стержней или приварка поперечных стержней на концевых участках, как правило, обязательны.

Ненапрягаемую арматуру периодического профиля заводят за нормальное к продольной оси элемента сечение, в котором она учитывается с полным расчетным сопротивлением, на длину зоны анкеровки

Усадка бетона в железобетонных конструкциях. Стальная арматура вследствие сцепления ее с бетоном является внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона при твердении на воздухе и свободному набуханию бетона при твердении в воде.

Стесненная деформация усадки бетона в железобетонном элементе приводит к возникновению начальных напряжений: растягивающих в бетоне, сжимающих в арматуре. При достаточно высоком содержании арматуры в бетоне элемента могут возникнуть усадочные трещины.

Усадке бетона в статически неопределимых железобетонных конструкциях препятствуют лишние связи. В таких системах усадка рассматривается как внешнее воздействие (подобное температурному), вызывающее появление усилий в элементах (см. рис. 11.4). Средняя деформация усадки равна 15·10^-5, что равносильно понижению температуры на 15°С (так как коэффициент линейной температурной деформации α_bt≈1·10^-5). Это позволяет заменить расчет на действие усадки расчетом на температурное воздействие. Отрицательное влияние усадки в этом случае может быть снижено путем устройства деформационных швов, которые обычно совмещают с температурными и называют температурно-усадочными.

В предварительно напряженных элементах усадка бетона также оказывает отрицательное влияние, приводя к уменьшению предварительного напряжения в арматуре.

Ползучесть бетона в железобетонных конструкциях. Арматура в железобетонных конструкциях, являясь, как и при усадке, внутренней связью, препятствует свободной деформации ползучести в бетоне. Вследствие сцепления арматуры с бетоном при продолжительном действии нагрузки ползучесть приводит к перераспределению напряжений между арматурой и бетоном. С течением времени напряжения в бетоне уменьшаются, в арматуре элементов без предварительного напряжения возрастают. Этот процесс происходит непрерывно, пока деформации ползучести не достигнут своего предельного значения.

В зависимости от вида железобетонных конструкций и напряженного состояния ползучесть может оказывать положительное или отрицательное влияние на их работу. В коротких центрально сжатых элементах ползучесть оказывает положительное влияние, обеспечивая более полное использование прочностных свойств арматуры. В гибких сжатых элементах ползучесть вызывает увеличение начальных эксцентриситетов и снижение несущей способности. В изгибаемых элементах ползучесть приводит к увеличению прогибов, в предварительно напряженных железобетонных конструкциях — к потерям предварительного напряжения. В статически неопределимых системах ползучесть играет положительную роль, смягчая концентрацию напряжений и вызывая перераспределение усилий.

Коррозия железобетона и меры защиты от нее. Для обеспечения долговечности железобетонных конструкций необходимо принимать меры против развития коррозии бетона и арматуры. Коррозия бетона зависит от его прочности и плотности, свойств цемента и агрессивности среды. Коррозия арматуры вызывается недостаточным содержанием цемента или наличием в нем вредных добавок, чрезмерным раскрытием трещин, недостаточной толщиной защитного слоя. Коррозия арматуры может возникать независимо от коррозии бетона. Для уменьшения коррозии ограничивают агрессивность среды в процессе эксплуатации (отвод агрессивных вод, улучшение вентиляции помещений), применяют плотные бетоны на сульфатостойких и других специальных вяжущих, устраивают на поверхности бетона защитные покрытия, защитный слой необходимой трещины, ограничивают раскрытие трещин и т. д. При систематическом действии агрессивной среды производят расчет конструкций на это воздействие (см. § 15.5).

Коррозия железобетона и меры защиты от неё

Под коррозией железобетона следует понимать неблагоприятное воздействие на него жидкой или газообразной агрессивной среды, которое может привести к серьёзным повреждениям или снизить долговечность конструкции.

Процессы коррозии могут протекать как в бетоне, так, при неко­торых условиях, и в арматуре.

Степень склонности железобетона к коррозии зависит от

• характера агрессивной среды;

• плотности бетона;

• вида цемента;

• скорости поступления агрессивной среды к поверхности бетона.

Различают три вида коррозии бетона.

При недостаточно плотных бетонах под действием фильтрую­щейся воды с малой жёсткостью растворяется основная часть це­ментного камня — гидрат окиси кальция [Са(ОН)₂ — гашёная из­весть]. Этот раствор выносится на поверхность бетона, образуя на ней белые хлопья. Наиболее опасными являются мягкие воды с ма­лым содержанием солей кальция. Наибольшее количество Са(ОН)₂ содержится в портландцементе, поэтому он наименее стоек к этому виду коррозии (выщелачиванию).

Другой вид коррозии может происходить в результате химиче­ского взаимодействия Са(ОН)₂ и агрессивной среды (водной или га­зообразной), которая содержит некоторые кислоты и соли (серную кислоту, её соли, соли Mg, СОз). Продукты обменных реакций этих веществ с составляющими цементного камня либо остаются на ме­сте в виде аморфной массы, не обладающей прочностью, либо в рас­творённом виде уносятся с водой. Могут появляться потёки в виде белой слизи на поверхности бетона.

Разрушение бетона может происходить и оттого, что продукты взаимодействия агрессивной среды и цементного камня, кристалли­зуясь, постепенно заполняют поры и каналы последнего. По мере накопления этих отложений сначала цементный камень уплотняет­ся, а затем начинает разрушаться, так как накопление кристаллов приводит к разрыву стенок пор. Например, при действии на цемент­ный камень сернокислых солей.

В реальных условиях обычно наблюдается одновременно корро­зия всех трёх видов с преобладанием одного из них. Из кислот для бетона наиболее опасны: соляная и азотная, серная и сернистая. Мор­ская вода и раствор сахара также вредно воздействуют на бетон.

Коррозия (ржавление) арматуры обычно протекает одновремен­но с коррозией бетона. Арматура защищается от коррозии бетонной оболочкой из щелочной среды, создаваемой наличием Са(ОН)₂ в цементном камне. При эксплуатации углекислый газ, имеющийся в воздухе, диффундирует, проникая через поверхность и систему пор в глубь железобетонной конструкции. Углекислый газ вступает в реакцию с цементным камнем, и в результате протекающего про­цесса карбонизации утрачиваются щёлочность и защитное действие бетона по отношению к арматуре.

При хорошей водо- и газопроницаемости бетона, а также при наличии в нём трещин шириной 0,2...0,25 мм и более может начать­ся коррозия арматуры независимо от коррозии бетона. Продукты коррозии арматуры имеют больший объём по сравнению с первона­чальным объёмом стали. Они создают отпор и откалывание участ­ков защитного слоя бетона, после чего процесс коррозии протекает ещё быстрее. Чаще всего коррозия арматуры начинается при недо­статочной толщине защитного слоя бетона и в местах с дефектами укладки бетона. Развитию коррозии в арматуре способствуют блуж­дающие токи.

Мероприятия по защите железобетона от коррозии:

1. Повышение плотности бетона.

2. Расход цемента на 1 м³ бетона для наружных конструкций дол­жен быть не менее 250 кг, для конструкций, эксплуатируемых в закрытых помещениях — не менее 220 кг.

3. Применение бетонов, приготавливаемых на шлакопортландцементе и глинозёмистом цементе (в них мало СаО).

4. Применение битумных и асфальтовых покрытий.

5. Применение керамической кислотоупорной облицовки или оклеечной изоляции.

6. Применение полимербетонов.