книги из ГПНТБ / Михайлов В.В. Расширяющийся и напрягающий цементы и самонапряженные железобетонные конструкции

Аналогичным осмотрам подвергалась также труба диаметром 150 мм, изготовленная способом вибропродавливания и находящаяся на испытании в тех же усло­ виях с 1960 г . Проверка состояния арматуры показала полную ее сохранность, несмотря на то, что бетон при вибропродавлмванни характеризуется меньшей плотно­ стью, чем торкретбетон. Следует отметить, что в отдель­ ных случаях при изготовлении экспериментальных образ­ цов изделий из самонапряженного железобетона в них использовались арматурные каркасы, имевшие легкий налет ржавчины с характерной коричневой окраской. Од­ нако при извлечении арматуры из образцов она имела чистую поверхность. Это говорит о восстановительных свойствах среды затвердевшего НЦ.

Специальные эксперименты, поставленные с целью выявления коррозии арматуры в среде бетона на НЦ, установили ее надежную сохранность. В призмеиные об­ разцы размером 31,5X31,5X100 мм-, изготовленные виб­

шлифованные цилиндры диаметром 4 мм н длиной 80 мм из стали СтЗ. Такие же образцы изготавливали с арма­ турными каркасами из стальной холоднотянутой низко­ углеродистой проволоки диаметром 1,8 мм. В первом случае толщина защитного слоя составляла 12, во вто­ ром — 5 мм. Образцы подвергали различным воздейст­ виям: постоянное выдерживание в течение трех лет в пресной воде, в растворе Na2 S04 с концентрацией 1,5 и 5%, во влажных опилках, а также периодическое увлаж­ нение и высушивание в течение 6 месяцев на специаль­ ной установке, работающей с трехчасовым циклом, в те­ чение которого образцы 1 ч увлажняли в пресной воде и 2 ч оставляли в струе воздуха с температурой 40° С. По окончании этих испытаний образцы разбивали и из них извлекали арматуру. Ни в одном случае в арматуре не было обнаружено ни пятен, ни налетов, ни коррозионных язв.

Кроме того, в плотном бетоне, каким является бетон на НЦ, характеризующемся высокой степенью газонепро­ ницаемости, карбонизация действием углекислого газа воздуха ограничивается тонким поверхностным слоем, что было установлено соответствующими определениями.

Степень щелочности межфазной жидкости, характе­ ризуемая величиной рН, определяли на образцах в воз-

170

расте 1, 3, 7, 14, 28 и 100 суток. Для этого готовили вод­ ную вытяжку из измельченного цементного камня: образ­

рН в указанные сроки твердения для образцов из НЦН

пать полная пассивация поверхности стальной арматуры. Благоприятные условия для сохранности арматуры в сре­ де напрягающего бетона будут во всех случаях, если пра­ вильно запроектирован состав бетона. Это получается автоматически для НЦН и НЦТ, в которых соотношение окислов находится в пределах (1—2) : 1 : (1—2).

Несколько иное положение наблюдается для амери­ канского К-цемента с соотношением окислов 1,6:1:4 и для алунитового НЦ с соотношением 0,75: 1 :2,5. Амери­ канские ученые утверждают, что в плотных бетонах на К-цементе, снабженных как продольным, так и попереч­ ным армированием, не возникают условия, могущие вы­ звать нежелательную коррозию арматуры.

Японский исследователь И. Оно [142] изучал явле­ ние коррозии стальных плит, погруженных частично в растворы из портландцемента, извести и (CAS) (10 и 15%), а также в чистый (CAS). В течение одного месяца фиксировали значение водородного фактора — рН рас­ твора и развитие коррозии стальных плит (взвешивани­ ем). Значение рН в чистом (CAS) за 1 месяц изменилось с 12 до 9, в то время как для растворов, содержащих 10—

творах, содержащих известь, коррозии нет, но она зна­

ладывали по два отшлифованных металлических стерж­ ня из арматурной стали Ст.5 диаметром 13, 30 и 60 мм.

171

Г л а в а 4

С А М О Н А П Р Я Ж Е Н Н Ы Е Ж Е Л Е З О Б Е Т О Н Н Ы Е К О Н С Т Р У К Ц И И

Разнообразные монолитные и сборные железобетон­ ные конструкции становятся преднапряженными при применении бетона на напрягающем цементе. Разрабо­ танные в настоящее время НЦ с энергией самонапряже­ ния 20, 40 и 60 кгс/см2 делают возможным применение самонапряженного железобетона в различных областях строительства. По условиям эксплуатации самонапря­ женные железобетонные конструкции и сооружения мо­ гут быть разделены на три характерные группы.

1.Постоянно эксплуатируемые во влагонасыщенных средах (напорные трубы, резервуары, плавательные бас­ сейны, подводные сооружения, большинство подземных сооружений и т. д.).

2.Эксплуатируемые в условиях переменной влажно­ сти (покрытия дорог и аэродромов, полы цехов с перио­ дическим увлажнением, гидротехнические сооружения, речные и морские причалы и т. д.).

3.Здания и сооружения, эксплуатируемые в естест­ венных сухих условиях (все остальные конструкции).

Такое разделение необходимо для выбора той или иной энергетической марки напрягающего бетона, а так­ же той или иной технологии изготовления самонапряжеиной конструкции, поскольку потери самонапряжения от высушивания бетона при пониженной влажности могут достигать 25—30% и более.

Напрягающий цемент является неоценимым материа­ лом во всех случаях, когда конструкция или сооружение будут эксплуатироваться в условиях жаркого или искус­ ственно горячего климата и когда возникает опасность их растрескивания от усадки и температурных деформаций.

4.1. СВОБОДНОЕ И СВЯЗАННОЕ РАСШИРЕНИЕ БЕТОНОВ НА НЦ

Для каждого напрягающего бетона имеется свой предел одноосного армирования, выше которого с ростом

174

упругого сопротивления (от арматуры) поперечные де­ формации начинают резко увеличиваться, сопротивле­ ние и самонапряжение бетона падать (см. рис. 2.30), а образец (призма) постепенно приобретает бочкообраз­

Для него можно использовать НЦ с очень большой энер­ гией и достигнуть высоких значений самонапряжения. Упругое ограничение самонапряжения может быть посто­ янным и временным. Постоянным ограничением является арматура железобетонной конструкции, временным — различные противодействующие расширению элементы: упругоподатливые борта и щиты опалубки или времен­ ные арматурные стержни, снимаемые после окончания самонапряжения.

В обычном железобетоне стало естественным армиро­ вание пространственными арматурными каркасами и сет­ ками; для большинства самонапряженных конструкций такое армирование является обязательным.

Поскольку деформации напрягающего бетона всегда упругоогранпчены, хотя бы в одном направлении, судить о его прочности в конструкции или сооружении можно только по образцам, твердевшим в связанном состоянии, как это описано в приложениях 1 и 2. Однако упругое ограничение деформаций только одной напрягаемой ар­ матурой, хотя бы и расположенной в трех направлениях, не является достаточной для НЦ большой энергии самонапряження. Действительно, в каждой железобетонной конструкции имеются защитные слои бетона над арма­ турой, свободные концы и кромки которых находятся в полусвободном состоянии, так как в них лишь косвенно ограничиваются деформации, что создает неминуемое возникновение ослабления структуры и отколы.

В связи с этим при активном НЦ на период ТВО сле­ дует применять упругоподатливые борта и щиты, защи­ щающие торцы и кромки бетона от отколов и разруше­ ния. В США такой бетон, твердеющий при ограничении деформаций, назван «бетоном со связанной деформа­ цией».

175

• •—

~~ ~"~ ~~—• — .

Рис. 4.1. Обобщенный график зависимости сила — деформация самоиапряженного железобетона при растяжении

В результате упругого сопротивления железобетон на напрягающем цементе расширяется в той степени, в ка­ кой увеличению его объема сопротивляется то или иное количество арматуры. Иными словами, энергия расшире­ ния НЦ, которая при свободном расширении расходова­ лась бы на разрушение внутренних связей цементного камня бетона, теперь в значительной степени идет на ра­ боту деформаций арматуры на растяжение и бетона на сжатие:

Л н ц = 0,5 (РКб + РК) = 0,5 (<гб F6 Хб + ан Fн К) =

=0 , 5 c r e F 6 ( ^ + A ) .

176

ложении внешней нагрузки N0 бетон разгрузится от сжа­ тия, и вся нагрузка N0 будет воспринята арматурой уси­ лием OA. Внешняя нагрузка N? будет воспринята и арматурой и бетоном усилием От Б, и бетон разорвется.

Таким образом, поведение самонапряженного железо­ бетона ничем не отличается от обычного преднапряженного железобетона, описанного в литературе. Деформа­ ции бетона при упругом сопротивлении во много раз меньше, чем при свободном. Так, для активного раствора 1 : 1 на НЦ состава 5 7 : 2 5 : 12:6 при р,= 1 % свободная деформация образца была 5,2%, связанная—всего 0,42% или меньше в 12 раз.

Если упругое сопротивление увеличивается, т. е. в же­ лезобетон укладывается больше арматуры, то степень самонапряжения также увеличивается, и наоборот. Сте­ пень самонапряжения увеличивается также при приме­ нении более активного НЦ (см. табл. 2.8).

В первом приближении это могут быть составы, вклю­ чающие четырехкомпонентный НЦ, в котором расширя­ ющий компонент (глиноземистый шлак, гипс и известь)

кгс/см2 при одноосном армировании энергетической мар­

в железобетоне М, связанное расширение е и самонапря­ жение 05. Зная энергетическую марку НЦ и процент ар­ мирования, пользуясь графиком, можно сразу получить величину самонапряжения Об и размеры связанного рас­ ширения е.

Для определения степени самонапряжения по величи­ не связанной деформации можно пользоваться эмпири­ ческой зависимостью

Здесь 0б —величина ожидаемого самонапряжения в кгс/см2; а6 — энергетическая марка НЦ в кгс/см2; е — величина относительной связанной деформации.

4.2. РАСЧЕТ САМОНАПРЯЖЕННЫХ КОНСТРУКЦИИ

Поскольку самонапряженные конструкции являют­ ся полноценными преднапряженными конструкциями, к ним могут быть отнесены все известные особенности предварительного напряжения железобетона, с той лишь только оговоркой, что при самонапряжении преднапряжена вся арматура, как бы она ни располагалась в теле бетона. В связи с этим возникают характерные особенно­ сти, свойственные преднапряженной конструкции с преднапряженной арматурой в сжатой и растянутой зонах конструкции, которые практически становятся статически неопределимыми и в случае рассмотрения самонапря­ женных монолитных сооружений, и в случае сборных конструкций.

Широкое применение сборных преднапряженных кон­ струкций в СССР способствует развитию таких методов проектирования и расчета, которые облегчают отыскание наилучших технических'и наиболее экономичных профи­ лей, размеров и армирования изгибаемых преднапряжен­ ных конструкций. Такой метод опубликован автором в 1963 г. [94] .

Статически неопределимые, а также все сборные преднапряженные конструкции должны рассчитываться на две системы нагрузок — М, N и М1, N1, где одна си-

178