Свойства железобетона

1. Сцепление арматуры с бетоном

Скольжению арматуры в бетоне препятствует сцепление между ними (сопротивление сдвигу). Надежное сцепление является основным фактором, обеспечивающим совместную работу арматуры и бетона в железобетоне и позволяющим ему работать под нагрузкой как единому монолитному телу. При отсутствии сцепления образование первой трещины влечет за собой возрастание удлинений на всем протяжении растянутой арматуры, что приводит к резкому раскрытию образовавшейся трещины, сокращению высоты сжатой зоны, снижению несущей способности.

В различных опытах сила сцепления арматуры с бетоном определялась сопротивлением скольжению забетонированного стержня при его выдергивании или выталкивании. Как показали опыты, сила сцепления меняется в широких пределах и в основном зависит от трех факторов:

• склеивания арматуры с бетоном, благодаря клеящей способности цементного теста (адгезия);

• сил трения, возникающих на поверхности арматуры благодаря зажатию стержней в бетоне при его усадке;

• сопротивления бетона усилиям среза, возникающим из-за наличия неровностей и выступов на поверхности арматуры.

Наибольшее влияние на сцепление оказывает третий фактор – он обеспечивает около 75% от общей величины сцепления. Первый фактор оказывает наименьшее влияние – до 25% всей силы сцепления.

Арматура периодического профиля с сильно шероховатой поверхностью обладает более высоким и надежным сопротивлением скольжению благодаря зацеплению и заклиниванию ее выступов в бетоне. По сравнению с гладкими стержнями арматура периодического профиля обладает в 2-3 раза большей силой сцепления с бетоном.

Напряжение в бетоне под выступами арматуры при ее выдергивании может превосходить в 5-7 раз кубиковую прочность бетона, поэтому недопустимо снижение плотности бетона в зоне контакта его с арматурой. Наиболее надежное повышение сопротивления скольжению арматуры в бетоне достигается соответствующим конструированием арматуры: устройством крюков на концах гладких стержней, применением анкеров.

Сопротивление сдвигу растет с увеличением марки цемента, уменьшением В/Ц, с увеличением возраста бетона (влияние усадки).

По длине заделки стрежня напряжения сцепления распределяются неравномерно, при этом наибольшее напряжение не зависит от длины заделки.

Сопротивление скольжению растянутой арматуры (на выдергивание) меньше, чем сопротивление скольжению сжатой арматуры (на выталкивание), что объясняется поперечными деформациями самого стержня. С увеличением диаметра стального стержня и повышением нормального напряжения в нем сила сцепления его с бетоном при растяжении уменьшается, а при сжатии – увеличивается.

2. Усадка железобетона

В железобетонных конструкциях стальная арматура вследствие ее сцепления с бетоном становится внутренней связью, препятствующей свободной усадке бетона. Опыты показывают, что усадка железобетона примерно вдвое меньше усадки бетона. Усадка железобетона, как и бетона, получает наибольшее развитие в первый год твердения и значительно превышает деформацию набухания.

Это объясняется тем, что арматура, обладающая значительно большим модулем упругости, вовлекается в совместную работу с бетоном за счет сил сцепления и тем самым препятствует свободным усадочным деформациям бетона.

Вследствие этого в бетоне возникают начальные растягивающие напряжения, а в арматуре – сжимающие. Растягивающее усилие в бетоне равно сжимающему усилию в арматуре, т.к. процесс усадки происходит самоуравновешенно без внешней нагрузки.

Растягивающие напряжения бетона в железобетонном образце зависят от величины свободной усадки бетона, количества арматуры и класса бетона. При мощной арматуре растягивающие напряжения в бетоне возрастают и возможно появление усадочных трещин. Несимметричное расположение арматуры в сечении железобетонного образца повышает начальные усадочные напряжения, т.к. влияние такой арматуры при усадке скажется как действие продольной силы и изгибающего момента.

Начальные растягивающие напряжения в бетоне от усадки будут складываться с напряжениями в растянутой зоне изгибаемого элемента и способствовать более раннему появлению трещин в бетоне. Но с появлением трещин влияние усадки уменьшается, а в стадии разрушения исчезает и не оказывает влияние на предельную несущую способность элемента.

При проектировании промышленных и гражданских зданий и сооружений большой протяженности предусматривают устройством деформационных швов, которые уменьшают неблагоприятное влияние усадки.