1

1855 г., Париж, 1-я всемирная выставка

экспонат француза Ламбо - лодка из металлической сетки, обмазанная цементным раствором, которую он изготовил в 1850 г

Ламбо не запатентовал необычный симбиоз бетона и стали и поэтому формально не считается первооткрывателем железобетона. И до сих пор в мире нет единого мнения, кто является «Колумбом» железобетона. В 1854 г. Ушкинсон (Англ.) запатентовал огнестойкое перекрытие из бетона, армированное полосовым железом и проволокой. Формальность в виде патента была соблюдена, и Англия могла бы считаться родиной железобетона, но почему-то так считать не принято.

В 1855 г. Гиат (США) предложил бетонные балки, армированные железом. В период с 1852 по 1861 г. Куанье (Фр.) разработал конструкции железобетонных перекрытий и сводов.

В 1867 г. французский садовник Монъе взял патент на изготовление цветочных кадок из проволочной сетки, покрытой цементным раствором, а позже - на другие виды конструкций (резервуары, трубы, плиты, шпалы). В 1967 г. Франция торжественно отметила 100-летие железобетона. Из трёх французов-пионеров железобетона чтят того, кто спустя 17 лет после изготовления своим соотечественником первого железобетонного изделия оформил идею документально.

Американцы же считают, что железобетон родился в США. 16 июля 1878 г. (через 28 лет после Ламбо и 11 лет после Монье!) на имя Тадеуша Хайата, американца польского происхождения, был выписан американский патент 206112, в котором дословно написано: «цементобетон это бетон, изготовленный из цемента в таком сочетании со сталью круглого сечения, что сталь помещается в областях, где есть растягивающие усилия».

Хайат впервые сформулировал основной принцип железобетона, заключающийся в совместной работе двух материалов, из которых один (бетон) хорошо работает на сжатие, а другой (сталь) - на растяжение

Позднее стальную «начинку» конструкций назвали арматурой, что в переводе с итальянского означает «вооружение». Сталь «вооружает» бетон: бетонная балка способна работать лишь до появления первой трещины, с её появлением балка разрушается; если же в растянутую при изгибе нижнюю зону балки поместить арматуру, то армированная балка будет работать и после появления трещин до тех пор, пока не исчерпается прочность арматуры или бетона сжатой верхней зоны балки.

В России железобетон известен с конца 50-х годов XIX века, однако впервые был применён военным инж. Д. Жаринцевым лишь в 1879 г. в г. Батуми при строительстве стен зданий. В 1904 г. в Николаеве был построен маяк из монолитного железобетона высотой 36 м. В это же время в Москве были возведены междуэтажные железобетонные перекрытия склада

Первым российским учёным-исследователем железобетона был проф. Н.А. Белелюбский (с 1891 г.). Российские и советские учёные внесли заметный вклад в развитие железобетонных конструкций и в создание методов их расчёта. Из десятков выдающихся учёных в этой области наиболее заметными, пожалуй, были проф. А.Ф. Лолейт, В.В. Михайлов и А.А. Гвоздев.

В качестве каменных конструкций применяли тёсаный камень, кирпич-сырец и обожжённый кирпич, соединяемые в кладке строительным раствором.

Армированная каменная кладка впервые была использована при сооружении собора СветиЦховели в Грузии; в 1813 г. в Англии была построена армированная кирпичная заводская труба, в 1825 г. - тоннель под Темзой, в 1853 г. - резервуар для воды в Вашингтоне.

В 1927 г. при строительстве нескольких многоэтажных зданий впервые была применена кладка из крупных шлакобетонных блоков. Затем к блокам из лёгких бетонов добавились блоки из ячеистого и силикатного бетонов

В настоящее время стало широко использоваться так называемое монолитно-кирпичное домостроение: несущие внутренние стены или колонны и диафрагмы жёсткости, безбалочные (безригельные) перекрытия - монолитные железобетонные,а самонесущие наружные стены — кирпичные или многослойные, из кирпичаи эффективного утеплителя

2

Известные с каменного века природные камни (известняк, базальт, мрамор и др.) образованы из частиц обломочных горных пород, связанных минеральным склеивающим веществом (кремнезёмом, кальцитом).

Но человек всегда стремился получить материал, не уступающий по прочности и долговечности природным камням. Бетон -искусственный камень, но в отличие от природного камня, он может принимать различные конструктивные формы, застывать в самых необычных, нестандартных положениях, что делает его идеальным материалом для архитектурно-строительного творчества

Простейший вид бетона - смесь глины с соломой и песком (глинобетон, саман). Если вместо глины применить гипс, то получится гипсобетон, если известь - известковый бетон. Эти бетоны не получили широкого распространения, так как разрушались из-за воздействия воды.

Необходимо было новое вяжущее, не боящееся воды.

В результате химической реакции при затворении цемента водой возникают растворимые продукты этой реакции. Вода, обнажив один слой зёрен цемента, проникает к следующему и обнажает его, и т.д. Процесс продолжается до тех пор, пока жидкость, насыщаясь, не превратится в студнеобразную массу -гель, густой, вязкий и клейковидный. Растворение продуктов реакции прекращается. Гель обволакивает при перемешивании зёрна заполнителя, постепенно теряет подвижность или, как говорят строители, схватывается, начинается кристаллизация. Кристаллы соединяются, образуются их сростки, растущие со временем. Твердеющий гель превращается в цементный камень, скрепляющий зёрна крупного и мелкого заполнителей. Так цементный клей превращается вместе с заполнителем в прочный монолитный камень –бетон

Бетон - самое неоднородное тело, созданное человеком. Разные по величине зёрна песка, щебня или гравия, связанные в произвольную структуру цементным камнем, расположены совершенно хаотично. Кроме твёрдой составляющей в бетоне имеются и столь же хаотично расположенные микропоры и капилляры, заполненные химически несвязанной водой, водяными парами и воздухом (жидкая и газообразная фазы). Таким образом, бетон - истинный апокалипсис случайности и хаоса, он необычайно далёк от однородного, изотропного и идеально упругого тела - любимца сопротивления материалов и строительной механики

Неоднородность структуры, изменение свойств во времени (не весь гель затвердевает сразу -в цементном камне между кристаллическими сростками остаётся вязкая часть, которая твердеет постепенно) являются причиной того, что под воздействием нагрузки в бетоне наряду с упругими развиваются и значительные неупругие (пластические) деформации, т.н. ползучесть бетона. Ползучесть бетона = свойство деформироваться во времени даже при неизменной нагрузке

Тангенс угла наклона к оси абсцисс касательной к диаграмме в начале координат называется начальным модулем упругости бетона, в любой другой точке кривой - модулем полных деформаций. Он является величиной переменной: в каждой точке диаграммы он свой, индивидуальный. Тангенс угла наклона секущей к кривой деформаций в любой её точке называют средним модулем или модулем упруго-пластичности бетона

3

В бетоне происходят и объёмные деформации, причём несилового происхождения, это - усадка и набухание. Усадка - свойство бетона уменьшаться в объёме при твердении в обычной воздушной среде, набухание - свойство, наоборот, увеличиваться в объёме при твердении в воде.

Усадка вызвана уменьшением объёма геля при твердении, потерей избыточной воды на испарение и гидратацию с ещё непрореагировавшими частицами цемента. Поэтому усадка наиболее интенсивно происходит в начальный период твердения (в течение первого года), затем постепенно затухает. Заполнители бетона в процессе его твердения становятся внутренними связями, препятствующими усадке. Это вызывает в цементном камне растягивающие напряжения. Открытые, быстро высыхающие поверхности бетона испытывают настолько значительное растяжение, что в них могут возникнуть усадочные трещины. Уменьшить начальные усадочные напряжения можно подбором состава (усадка тем меньше, чем меньше в единице объёма бетона цемента, мелких заполнителей и чем меньше водоцементное отношение (В/Ц)), увлажнением среды при тепловой обработке, увлажнением поверхности бетона в начальный период эксплуатации, устройством усадочных швов.

Наиболее широкое применение в строительстве получили тяжёлые бетоны с объёмной массой 1800...2500 кг/м3, приготовляемые на обычных плотных заполнителях. Если заполнитель крупнозернистый, то бетон называют обычным тяжёлым. Если заполнитель мелкий (только песок), то такой тяжёлый бетон называют мелкозернистым. От раствора он отличается гораздо большим количеством цемента и более низким В/Ц. Бетоны с объёмной массой более 2500 кг/м3 (достигаемой применением барита, чугунной дроби и др. особых видов заполнителей) относятся к особо тяжёлым и используются для защиты от радиации

Лёгкие бетоны с объёмной массой 500... 1800 кг/м3 изготовляются с применением естественных (туф, пемза, ракушечник и др.) или искусственных (керамзит, аглопорит, перлит и др.) пористых заполнителей. К легким бетонам относят и ячеистый бетон, кроме тонкомолотого заполнителя он содержит порообразующие вещества

4

Арматура, как уже указывалось, «вооружает» преимущественно те зоны бетона, в которых при эксплуатации возникают растягивающие усилия, беря все их на себя. Также она готова «прийти на помощь» бетону и в сжатых зонах сечения.

Если арматуру устанавливают по расчёту, то её называют рабочей. Такой арматурой, например, является нижняя продольная арматура балки или плиты, воспринимающая растягивающие усилия в нижней зоне их поперечного сечения.

Если арматуру устанавливают без расчёта (по конструктивным или технологическим соображениям), то её называют монтажной или конструктивной. Такой арматурой, например, являются верхний и нижний стержни вертикального каркаса балки или плиты, поперечные стержни которого воспринимают поперечную силу, и установлены они с определённым шагом в соответствии с расчётом (каркас же не может существовать без продольных стержней!). Правда, если поперечные стержни по расчёту не требуются, но установлены по конструктивным требованиям, то и они являются монтажными, а не расчётными. У поперечных стержней есть ещё одно название: хомуты

Арматурные изделия:

- отдельные стержни или проволоки;

- плоские и рулонные сварные или вязаные арматурные сетки;

- плоские (иногда их тоже относят к сеткам) и пространственные арматурные каркасы.

Для армирования железобетонных конструкций применяют следующие виды арматуры: стержневая:

- горячекатаная класса А240 круглая, гладкая;

- горячекатаная и термомеханически упрочнённая классов:

АЗ 00 (взамен А-П), периодического профиля с выступами в виде рёбер по винтовой линии;

А400 (взамен А-Ш);

А500 (новый класс);

А600, А800, А1000 (взамен соответственно А-1У, А-У, А-У1); арматура периодического профиля классов А400 - А1000 имеет выступы в виде рёбер «в ёлочку»; т.е. арматуру классов А240 и АЗОО можно отличить по внешнему виду от арматуры других классов, арматуру же классов А400 - А1000 отличить друг от друга по внешнему виду невозможно;

проволочная:

- класса В500 (взамен Вр-1), холоднодеформированная обыкновенная периодического профиля

в виде рифов;

- классов Вр1200, Вр1300, Вр1400, Вр1500 (все взамен Вр- II), высокопрочная холоднодеформированная периодического профиляв виде вмятин;

канаты:

- классов К1400(К-7), К1500(К-7) (взамен К-7);

- класса К1500(К-19) (взамен К-19).

В качестве ненапрягаемой арматуры применяют арматуру классов А240 - А500 и В500, в качестве напрягаемой - А600 - А1000, Вр1200 - Вр1500, К1400(К-7), К1500(К-7), К1500(К-19).

Стали классов А240 - АЗОО имеют площадку текучести и называются мягкими. Перед разрывом они значительно удлиняются; поэтому прежде чем разрушиться конструкции сильно деформируются.

Высокопрочные и высоколегированные (с содержанием углерода 0,3...0,5 % и легирующими добавками в виде марганца, кремния, хрома и др.) и термомеханически упрочнённые (нагретые до 800...900°С, быстро охлаждённые, частично отпущенные нагревом до 300...400°С и постепенно охлаждённые) стали не имеют ярко выраженной площадки текучести и являются хрупкими. С точки зрения отсутствия существенных деформаций разрушение конструкций, армированных такими сталями, может наступить совершенно неожиданно.

Диапазоны диаметров стержневой арматуры различных классов, выпускаемых промышленностью:

А240 - А400 - 6.. .40 мм (от 6 до 22 мм через 2 мм, далее - 25, 28, 32, 36 и 40 мм);

А500, А600- 10. ..40 мм; А800, А1000- 10. ..32 мм.

Диапазоны диаметров проволочной арматуры классов:

В500 - 3...12 мм (через 1 мм) (Вр-1 имела только три диаметра - 3, 4 и 5 мм);

Вр1200 - 8 мм, Вр1300 - 7 мм, ВрИОО -4,5,6 мм, Вр1500 - 3 мм;

Диаметры арматурных канатов классов:

К1400(К-7) - 15 мм, К1500(К-7) - 6, 9, 12 мм; они свиты из проволок диаметром соответственно 5, 2, 3 и 4 мм);

К1500(К-19)-14мм.

Арматура диаметром 12 мм и более поставляется в прутках длиной до 13м, диаметром до 10 мм - в мотках массой до 1300 кг.

Имеются два сортамента: один для стержневой и проволочной арматуры, другой - для канатов. В них приведены расчётные площади поперечного сечения арматуры, масса 1 пог. М

Прокатные двутавры, швеллеры, уголки иногда применяют и в качестве рабочей арматуры; такую арматуру называют жёсткой. В этом смысле всю указанную выше стержневую, проволочную арматуру и арматурные канаты называют гибкой арматурой

5

Нормативное значение сопротивления растяжению арматуры обозначается Rs,n.

Оно установлено путём проведения большого количества испытаний, с учётом статистической изменчивости и табулировано. Расчётное значение сопротивления растяжению арматуры обозначается Rs и определяется делением Rs,n на коэффициент надёжности по арматуре уs, равный для разных классов арматуры 1,1... 1,2

Интересно, что значения Rs,n и Rs для стержневой арматуры одного класса постоянны для всего диапазона диаметров. Значения же Rs,n и Rs для проволочной арматуры и арматурных канатов зависят от диаметра: чем выше диаметр, тем меньше значение сопротивления; лишь проволочная арматура класса В500 любого диаметра имеет одинаковое значение сопротивления.

Табулированы также значения расчётного сопротивления растяжению поперечной арматуры (хомутов и отогнутых стержней) Rsw. Они равны Rs• уs1 = Rs • 0,8 , но принимаются не более 300 МПа (в старом СНиП этого ограничения не было).

Расчётное значение сопротивления сжатию арматуры обозначается Rsс. Оно принимается численно равным Rs и не более 400 МПа при кратковременном действии нагрузки и не более 500 МПа при длительном действии нагрузки.

Модуль упругости арматуры обозначается Ех. Для всех классов стали, кроме арматурных канатов, значение ^принимается одинаковым: 2*105 МПа. Для канатов Е, = 1,8* 105 МПа.

Релаксацией искусственно созданных предварительных напряжений в арматуре называется процесс уменьшения этих напряжений при неизменной длине арматурного стержня или проволоки. Это - негативный процесс, учитываемый при расчёте потерь предварительного напряжения.

Стержни и проволоки могут быть прямолинейными и гнутыми:

Плоские каркасы на чертежах обозначаются КР1, 2, пространственные каркасы- КП1, 2,

Закладные детали обозначаются МН (видимо, от слов «металлическая накладная»), соединительные детали - МС («металлическая соединительная») с указанием их порядкового номера, например, МН2 или МСЗ.

6

Арматурные сетки (а каркасы, как уже указывалось, тоже можно рассматривать как частный вид сеток, только не с несколькими, а с двумя продольными стержнями) могут поставляться: рулонными - при с1< 7 мм и массе до 1300 кг; плоскими - при с1> 8 мм и длине до 9 м.

Сетки, как правило, имеют прямоугольный контур и взаимно перпендикулярное расположение стержней:

Концевые выпуски стержней сетки:

с > 0.5d2 + d1

с > 20 мм.

Примем обозначения: и - шаг поперечных стержней диаметром d;

v - шаг продольных стержней диаметром D.

Тогда u_min, v_min > 50мм.

Рекомендуется в одном направлении принимать d к D одинаковыми. Допускается исполь­зовать не более двух диаметров, отличающихся не более, чем в 2 раза; у края сетки должны распо­лагаться два стержня одинакового диаметра.

При D < 14 мм v должен быть кратен 100 мм;

при D > 14 mm v должен быть кратен 200 мм.

При d < 14 мм u должен быть кратен 50 мм;

при d > 14мм u должен быть кратен 100 мм.

u_max = 600 мм.

Рекомендуется постоянный u

Диаметр рабочей арматуры сетки (напоминаю: устанавливаемой по расчёту) должен быть больше диаметра стержней перпендикулярного направления (монтажной арматуры).

При назначении А и L следует учитывать, что расстояние от концов стержней до торца элемента должно быть не менее 10 мм, а для плит пролётом более 12 м, ригелей пролётом более 18 м - не менее 15 мм.

Существует сортамент стандартных сварных сеток.

7

Сваривать между собой можно только арматуру классов А240, АЗОО, А400, А500 и В500.

Имеется таблица соотношений между диаметрами свариваемых стержней двух направлений

Соединять стержни при пересечении можно и вязальной проволокой, в этом случае образуется так называемая вязаная сетка или каркас.

Арматуру остальных классов сваривать нельзя.

Отдельные арматурные стержни классов АЗОО, А400, А500 допускается соединять без сварки — внахлёстку с перепуском концов на 20... 50 d .

Если в рабочем направлении стыкуются сварные сетки, то в каждой из них на длине нахлёстки должно быть расположено не менее двух поперечных стержней. Длина нахлёстки рассчитывается по формуле, которая даёт обычно результат для растянутой арматуры не менее 250 мм, для сжатой - не менее 200 мм. Если в рабочем направлении стыкуются плоские сварные каркасы, то кроме выполнения требования, предъявляемого к сеткам, на длине стыка следует установить дополнительные хомуты с шагом не более 5 d продольной арматуры.

Если сетки стыкуются в нерабочем направлении (когда соединяется монтажная арматура), длину нахлёстки принимают 50 мм при d монтажной арматуры до 4 мм и 100 мм при d > 4 мм. Если рабочая арматура сеток имеет d >=16мм, то вместо нахлёстки на уложенные рядом сетки укладывается дополнительная сетка с монтажной арматурой такого же диаметра, как монтажная арматура стыкуемых сеток, с перепуском её в каждую сторону на 15d монтажной арматуры, но не менее 100 мм.

Для защиты арматуры от коррозии и действия высоких температур имеет особое значение толщина защитного слоя бетона. Для продольной рабочей арматуры защитный слой тяжёлого бетона (в мм) должен быть не менее:

Во всех случаях толщину защитного слоя бетона следует принимать не менее диаметра стержня арматуры.

Для особо тонких (армоцементных) конструкций применяют арматуру из тканых или (реже) сварных сеток. Диаметр проволоки сеток 0,5... 1,2 мм, размер ячеек 6... 10 мм. Насыщение тонких (10...30 мм) элементов конструкций сетками густое, расстояние между ними 3...5 мм. Естественно, бетон на обычном заполнителе для таких конструкций не годится, поэтому используют мелкозернистый (цементно-песчаный) бетон. В растянутых зонах армоцементных конструкций возможно комбинированное армирование - сетками и напрягаемой арматурой.

Возможно дисперсное армирование бетона стальными иглами длиной 20...25 см и диаметром 0,4...0,5 мм в количестве 140 кг на 1 м3 смеси. Прочность на сжатие такого состава повышается на 30.. .50 %, прочность на растяжение - на 20 %. В целях экономии стали проводятся исследования по созданию неметаллической арматуры конструкций — в частности стеклопластиковой.

8

Основными физико-механическими факторами, обеспечивающими совместную работу бетона и стальной арматуры в железобетоне, являются:

• значительное сцепление между поверхностью арматуры и бетоном;

• близкие значения коэффициента линейного расширения бетона и стали , что исключает появление внутренних напряжений, которые могли бы нарушить сцепление двух материалов;

• защищённость стали, заключённой в плотный бетон, от коррозии и непосредственного воздействия огня.