12. Железобетон

12.1. Общие сведения

Бетон, как и все природные и искусственные каменные материалы хорошо работает на сжатие, но плохо сопротивляется растяжению и изгибу. Прочность бетона при растяжении составляет всего около 1/10…1/15 его прочности на сжатие. Чтобы повысить прочность бетонных конструкций на растяжение и изгиб, при их изготовлении в бетон укладывают стальную проволоку или стержни, называемые арматурой.

Железобетоном называют строительный материал, в котором соединены в единое целое стальная арматура и бетон. В железобетоне, арматуру располагают так, чтобы она воспринимала растягивающие усилия, а сжимающие усилия передавались на бетон. В ряде случаев армируют элементы, работающие и на сжатие (колонны, сваи), так как и на сжатие сталь в 5... 10 раз прочнее бетона. Это обеспечивает высокую прочность материала при сжатии и растяжении.

Совместная работа арматуры и бетона обусловливается хорошим сцеплением между ними и приблизительно одинаковыми температурными коэффициентами линейного расширения.

Бетон благодаря своей плотности и водонепроницаемости, с одной стороны, и щелочной реакции цементного камня в бетоне, с другой, защищает сталь от коррозии. Кроме того, бетон как сравнительно плохой проводник теплоты защищает сталь от быстрого нагрева при пожарах. Стальные конструкции при пожаре быстро нагреваются, сталь размягчается и вся конструкция начинает деформироваться даже под собственным весом. В железобетонных конструкциях стальная арматура защищена от огня слоем бетона. Так, опыты показали, что при температуре поверхности бетона 1000 °С арматура, находящаяся на глубине 50 мм, через 2 ч нагреется лишь до 500 °С.

Широкое применение в строительстве получили сборные железобетонные детали и конструкции, изготовляемые на заводах или полигонах и доставляемые на стройки в готовом виде, а также монолитные конструкции, возводимые непосредственно на строительной площадке.

Сборные железобетонные детали отличаются высоким качеством и долговечностью, не требуют специального ухода во время эксплуатации; их использование ускоряет строительство, уменьшает его трудоемкость, сокращает расход леса, так как отпадает необходимость в устройстве подмостей, опалубки, и металла (по сравнению со стальными конструкциями); упрощает производство работ в зимний период. Однако сборные железобетонные изделия отличаются значительным весом и размерами, что требует специализированного транспорта при их перевозке и грузоподъемных средств при монтаже.

Железобетонные изделия классифицируют по виду армирования, плотности и виду бетона, внутреннему строению, назначению и области применения.

По виду армирования различают изделия с обычной и предварительно напряженной арматурой.

Армирование бетона ненапрягаемыми стальными стержнями, сетками и каркасами не предохраняет конструкции, работающие на изгиб или растяжение, от образования трещин, так как предельная растяжимость бетона в 5…6 раз меньше, чем стали. Поэтому в обычном железобетоне задолго до разрушения появляются трещины и возникает опасность коррозии арматуры под действием влаги и газов. Это часто не позволяет использовать полностью несущую способность арматуры, делает нерациональным применение арматуры из высокопрочной проволоки. Поэтому в современном строительстве все большее применение находит напряженно-армированный бетон.

Предварительное напряжение арматуры не только предупреждает появление трещин в бетоне растянутой зоны конструкции, но позволяет сократить расход арматуры, используя высокопрочные сталь и бетон, снизить вес железобетонных конструкций, повысить их долговечность.

В настоящее время применяют два основных способа получения напряженно-армированного бетона. Один из них заключается в том, что арматуру натягивают и закрепляют на специальных анкерах, а затем укладывают бетон. После того как бетон достаточно затвердеет, арматуру освобождают и она, сжимаясь, сжимает бетон. Другой способ: в бетоне оставляют специальные каналы для напрягаемой арматуры. После затвердевания бетона арматуру вводят в каналы и натягивают, используя в качестве опоры затвердевший бетон. При этом в бетоне возникают сжимающие напряжения. После натяжения арматуры каналы заполняют цементным раствором.

Чем сильнее растянута арматура, тем больше будет сжат бетон. Когда же к конструкции будет приложена полезная нагрузка, напряжения от нее, возникающие в растянутой зоне бетона, частично компенсируются предварительно созданными сжимающими напряжениями. Поэтому в растянутой зоне бетона не возникнут трещины, а предварительно напряженная арматура получит от нагрузки дополнительное напряжение и ее высокая прочность будет реализована в большей степени.

В зависимости от проектных требований железобетонные изделия изготовляют из бетонов разной плотности: тяжелого, облегченного, легкого и особо легкого. Для элементов каркаса зданий используют детали из тяжелого бетона, для ограждающих конструкций  из легкого бетона. Для изготовления железобетонных изделий используют различные виды бетона: цементные тяжелые и легкие бетоны, силикатные, ячеистые, химически стойкие, декоративные и другие виды бетонов.

По внутреннему строению железобетонные изделия могут быть сплошными, пустотелыми и комбинированными, включающими элементы из других материалов. Изделия могут состоять из одного вида бетона  однослойные, из различных видов бетона  многослойные. В последнем случае иногда также применяют сочетание бетона с другими материалами, например теплоизоляционными или отделочными.

По назначению сборные железобетонные изделия делят на изделия: для жилых, общественных, промышленных зданий, для сооружений сельскохозяйственного и гидротехнического строительства. Они должны быть типовыми, что позволяет организовать их массовое производство, и унифицированными, что обеспечивает возможность их применения в зданиях и сооружениях различного назначения.