Лекция 5 Тема: Основные свойства железобетона

Вопросы: 1. Значение трещиностойкости

2. Сцепление арматуры с бетоном

3. Анкеровка арматуры

4. Усадка бетона в железобетонных конструкциях

5. Ползучесть и релаксация напряжений в железобетоне

6. Коррозия железобетона

7. Защитный слой бетона

Механические свойства железобетона зависят от соответствующих свойств бетона и арматуры, но не всегда совпадают с ними, а потому требуют самостоятельного рассмотрения.

1. Значение трещиностойкости

Основной недостаток обычного (без предварительного напряжения) железобетона – низкая трещиностойкость вследствие малой растяжимости бетона. Трещины в растянутых зонах могут появляться при нагрузках даже ниже эксплуатационных.

Между тем, трещиностойкость существенно влияет на долговечность ЖБК. Поэтому весьма важным является вопрос – при каких напряжениях в арматуре появляются первые трещины в растянутом бетоне. Ответить на него можно путем следующих несложных рассуждений.

До появления трещин деформации растянутого бетона _bt равны деформациям арматуры _s (на уровне контакта бетона с арматурой) вследствие сцепления, поэтому можно записать

_bt = _s = . (5.1)

Так как при таких малых деформациях арматура работает еще вполне упруго, то напряжения в ней по закону Гука с учетом (5.1)

(5.2)

где  = E_s / E_b – коэффициент приведения арматуры к бетону, показывающий, что каждую единицу площади сечения арматуры можно условно приравнять  - единицам площади бетона и привести материал арматуры к материалу бетона, т.е. получить приведенное сечение;

– коэффициент упругих деформаций бетона при растяжении.

Перед образованием трещин напряжения в растянутом бетоне достигают предельных значений = R_btu, а коэффициент упругости _t = 0,5. Подставляя эти значения в (5.2), получим выражение для напряжений в арматуре в момент образования трещин в бетоне

, (5.3)

что соответствует, например, для арматуры класса А500 и бетона класса В25 напряжениям 20,7 МПа; за счет ползучести бетона и соответствующего снижения модуля упругости E_b эти напряжения могут увеличиться до 30…40 МПа. Все равно это составляет всего около 10% и менее от предела текучести наиболее массовой арматуры классов А400, А500. Нагрузка в момент образования трещин обычно составляет 15…25% разрушающей.

С увеличением нагрузки идет активный процесс раскрытия образованных трещин и развития их по высоте сечения. Вследствие этого быстро уменьшается высота сжатой зоны, что резко (до 5 раз) снижает приведенный момент инерции сечения I_red, а следовательно, и жесткость балки – резко возрастают прогибы.

Опыт эксплуатации ЖБК без предварительного напряжения показал, что при ширине раскрытия трещин более 0,4 мм возможна коррозия арматуры.

Экспериментальными исследованиями установлено, что при ширине раскрытия трещин 0,4 мм напряжения в растянутой гладкой арматуре достигают 250…300 МПа, а в арматуре периодического профиля – 500…590 МПа (за счет лучшего сцепления арматуры с бетоном), что соответствует пределу текучести арматуры классов А500, А600. Поэтому в обычных ЖБК (без предварительного напряжения) невозможно рационально использовать арматуру с пределом текучести выше 590 МПа, т.е. классов выше А600, что и оговаривается в нормах. Это неприятное обстоятельство, поскольку удельная стоимость высокопрочных сталей растет гораздо меньше, чем их прочность, а потому с экономической точки зрения использование высокопрочных сталей более целесообразно.

Чтобы не допустить коррозию арматуры и не снизить долговечность конструкции, ширина раскрытия трещин в период эксплуатации ЖБК ограничивается нормами. Предельно допустимая ширина раскрытия трещин устанавливается в зависимости от условий работы конструкции, вида арматуры, продолжительности действия нагрузки и не должна превышать 0,3 мм при длительном раскрытии и 0,4 мм – при непродолжительном (для арматуры классов А240-А600).

2. Сцепление арматуры с бетоном. Под сцеплением понимается непрерывная связь по поверхности контакта между бетоном и арматурой, обеспечивающая их совместную надежную работу. В силу этого сцепление рассматривается как одно из фундаментальных свойств железобетона.

Прочность сцепления арматуры с бетоном оценивают сопротивлением выдергиванию (рис. 32, а) или вдавливанию (рис. 32, б) стержней, заделанных в бетон.

Рис. 32. Схемы испытаний при изучении сцепления арматуры с бетоном:

а – на выдергивание; б – на вдавливание

Прочность сцепления при выдергивании арматуры из бетона обусловливается рядом факторов, основными из которых являются:

- склеивание арматуры с бетоном вследствие клеящей способности цементного геля  обеспечивает ~ 20…25 % всей прочности сцепления;

- зацепление за бетон неровностей и выступов на поверхности арматуры  обеспечивает 70…80 % всей прочности сцепления; сопротивление выдергиванию арматуры периодического профиля в 2-3 раза выше, чем гладкой.

Экспериментальные исследования сцепления чаще всего проводят путем выдергивания стержней из бетона (рис. 32, а, 33а). Растягивающее усилие N передается с арматуры на бетон посредством касательных напряжений сцепления , которые по длине заделки стержня l_an распределяются неравномерно (рис. 33, б). Максимальное значение

напряжений сцепления _max не зависит от длины l_an, а протяженность эпюры напряжений  меньше фактической длины l_an. Среднее значение напряжений сцепления

_m = N / (dl_an) (5.4)

составляет для обычных бетонов 2,5…4 МПа для гладкой арматуры и ~7 МПа для арматуры периодического профиля. С повышением прочности бетона несколько возрастают и напряжения _m..

Из (5.4) можно найти достаточную (эффективную) длину заделки стержня в бетоне, если выдергивающее усилие N выразить через напряжения в арматуре (т.е. N = _sA_s = _sd²/4):

l_an = N / (_md) = _sd² / (4_md) = _sd / (4_m). (5.5)

Следовательно, достаточная длина заделки стержня (зона анкеровки) зависит от прочности и диаметра арматуры (_s, d) и прочности бетона (_m). Для уменьшения l_an (с целью экономии металла) рекомендуется ограничивать диаметр растянутых стержней, повышать прочность бетона, применять арматуру периодического профиля.

2. Анкеровка арматуры в бетоне. Анкеровка – это закрепление концов арматуры в бетоне. Обеспечивается либо силами сцепления (для арматуры периодического профиля), либо устройством крюков или иных анкерных устройств на концах гладкой арматуры (рис. 34).

Рис. 34. Анкеровка ненапрягаемой арматуры в бетоне:

а – сцеплением прямых стержней с бетоном; б – крюками и лапками (для гладких растянутых стержней);

в – петлями; г – приваркой поперечных стержней; д – специальными анкерами; е – на крайних свободных

опорах плит; ж – то же, балок

Ненапрягаемую арматуру периодического профиля заводят за нормальное к продольной оси элемента сечение, в котором она учитывается с полным расчетным сопротивлением, на длину зоны анкеровки l_an (рис. 34, определяемую следующим образом.

Базовую (основную) длину анкеровки, необходимую для передачи усилия в арматуре с полным расчетным значением сопротивления R_s на бетон, определяют по формуле

(5.6)

где A_s и u_s - соответственно площадь поперечного сечения анкеруемого стержня арматуры и периметр его сечения, определяемые по номинальному диаметру стержня;

R_bond - расчетное сопротивление сцепления арматуры с бетоном, принимаемое равномерно распределенным по длине анкеровки и определяемое по формуле

R_bond = η₁η₂R_bt (5.7)

здесь η₁ - коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры, принимаемый равным:

1,5 - для гладкой арматуры (класса А240);

2,0 - холоднодеформируемой арматуры периодического профиля (класса В500)

2,5 - для горячекатаной и термомеханически упрочненной арматуры периодического профиля (классов A300, А400 и А500);

η₂ - коэффициент, учитывающий влияние размера диаметра арматуры, принимаемый равным:

1,0 - при диаметре арматуры d_s ≤ 32 мм;

0,9 - при диаметре арматуры 36 и 40 мм.

Требуемую расчетную длину анкеровки арматуры с учетом конструктивного решения элемента в зоне анкеровки определяют по формуле

, (5.8)

где l_o,an - базовая длина анкеровки, определяемая по формуле (5.1);

A_s,cal, A_s,ef - площади поперечного сечения арматуры соответственно, требуемая по расчету с полным расчетным сопротивлением и фактически установленная;

а - коэффициент, учитывающий влияние на длину анкеровки напряженного состояния бетона и арматуры и конструктивного решения элемента в зоне анкеровки.

При анкеровке стержней периодического профиля с прямыми концами (прямая анкеровка) или гладкой арматуры с крюками или петлями без дополнительных анкерующих устройств для растянутых стержней принимают, а = 1,0 , а для сжатых - а = 0,75 .