Железобетон

Краткие исторические сведения о возникновении и развитии железобетона

Возникновение и развитие строительных конструкций, в том чис­ле железобетонных, неразрывно связано с условиями материальной жизни общества, развитием производительных сил н производствен­ных отношений. Появление железобетона совпадает с периодом уско­ренного роста промышленности, торговли и транспорта во второй поло­вине XIX в., когда возникла потребность в строительстве большого числа фабрик, заводов, мостов, портов и других сооружений. Тех­нические возможности производства железобетона к тому времени уже имелись — цементная промышленность и черная металлургия были достаточно развиты.

Период возникновения железобетона (1850—1885 гг.) характе­ризуется пояблением первых конструкций нз армированного бетона во Франции (Ламбо, 1850 г.; Кунье, 1854 г.; Монье, 1867—1880 гг.), в Англии (Уилкинсон, 1854 г.), в США (Гнатт, 1855—1877 гг.).

В период освоения (1885—1917 гг.) железобетон находил при­менение в отдельных случаях в экономически достаточно развитых странах — Англии, Франции, США, Германии, России. Железобетон применялся в перекрытиях производственных зданий, подземных тру­бах, колодцах, стенах, резервуарах, мостах, путепроводах, эстакадах, фортификационных и других сооружениях.

Создание первых теоретических основ расчета железобетона и принципов его конструирования оказалось возможным благодаря ра­ботам исследователей и инженеров Консндера, Генебика (Франция), Кёиена, Мёрша (Германия) и др. К концу XIX в. сложилась в общих чертах теория расчета железобетона по допускаемым напряжениям, основанная на методах сопротивления упругих материалов.

В Росснн железобетонные конструкции развивались под влия­нием зарубежного опыта и отечественной практики.^ В последней большое значение имели показательные испытания Н. А. Белелюб - ского в 1891 г. серни конструкций (плиты, резервуары, своды, трубы, сборный закром, сводчатый мост); предложения по совершенствова­нию конструктивных форм железобетона, а именно: Н. Н. Абрамова по спиральному армированию колонн в виде «бетона в обойме», В. П. Некрасова по косвенному армированию сжатых элементов, А. Э. Страуса по производству набивных бетонных н железобетон­ных свай, А. Ф. Лолейта по конструированию и расчету безбалочных перекрытий (1909 г.), Н. И. Молотнлова по сборным железобетон­ным плоским (сплошным и продольно-пустотным) плитам для пе­рекрытий; оригинальные работы И. С. Подольского, Г. П. Переде­рня, С. Й. Дружинина, Г. Г. Крнвошеина и многих других.

* В первый период широкого применения железобетона в СССР

§pt>L8—1945 гг.) особенно широкое распространение он получил в промышленном н гидротехническом строительстве.

После Октябрьской революции происходят коренные изменения ці экономике страны. Перед советским народом встают задачи вос­становления народного хозяйства н выполнения всевозрастающих ршанов капитального строительства. Реализация этих задач связана Ш широким применением железобетона. В конце 20-х годов были соз­даны проектные организации союзного значения, которые разраба­тывали проекты крупных промышленных предприятий. Одновремен­ен в стране создаются научно-нсследовательскне институты н лабо­ратории по строительству, которые проводили исследования в области железобетона н бетона: ЦНИПС, позже НИИЖБ и ЦНИИСК, ІДНИИС МПС н др.

J. В связи с большим объемом строительства в первой пятилетке н Задачами экономии металла железобетон получил широкое примене­ние взамен стальных конструкций н занял доминирующее положе­ние в промышленном строительстве. Железобетон применялся для монолитных неразрезных балочных перекрытий, многопролетных н ^многоярусных рам, арок н других нм подобных конструкций прн строительстве цехов ряда заводов (Краматорский машиностронтель - 'ршн, Днепросталь, Запорожсталь, Магнитогорский, Ижевский), круп­нейших по тому времени гидростанций (Волховстрой, Днепрострой, Свирьстрой), сложных инженерных сооружений (элеваторов, Сидо­ров и др.). В 1928 г. появились первые сборные железобетонные конструкции, примененные в Москве на строительстве заводов «Фре­зер», «Шарикоподшипник», «Калибр», «Электропривод», «Прибор», а также на заводах Урала н Украины, Нижнесвнрской ГЭС. Нача­ди применяться тонкостенные пространственные монолитные кон­струкции покрытий: купола (планетарий в Москве, 1929 г., театры в Новосибирске, 1934 г. н в Москве, 1939 г.), складкн, цилиндрические «болочкн (Днепропетровский алюминиевый комбинат), шатры.

Освоение новых конструктивных решений сопровождалось ин­тенсивной разработкой теорнн расчета многопролетиых балок и рам |£И. М. Рабинович, Б. Н. Жемочкнн н др.), оболочек (В. 3. Власов, А. А. Гвоздев, П. Л. Пастернак н др.), плит, пластинок и иных си­стем.

І Опыт строительства нз сборного железобетона был обобщен в 1933 г. во «Временной инструкции по сборным железобетонным кон­струкциям», разработанной в б. ЦНИПС, с учетом принципов ин­дустриализации строительства, стандартизации конструктивных эле­ментов промышленных зданий на базе установленных стандартных фимеров пролетов (12, 15, 18, 21, 24, 17, 30 м) прн едином продоль - ВЬм шаге несущих конструкций (6 м).

Первые достижения в области сборного железобетона освещены в работах С. С. Давыдова, А. П. Васильева, К. В. Сахновского, В. А. Бушкова.

Совершенствуется технология приготовления бетонной смеси, способы ее транспортирования и укладки (Н. М. Беляев, Б. Г. Скрам - таев, И. П. Александрии и др.), разработаны приемы зимнего бето­нирования, стандартизована опалубка.

С развитием строительства все очевидней становились недо­статки расчета железобетона как упругого материала по условным допускаемым напряжениям. Для их преодоления в конце 1931 г.

Ф. Лолейт выдвинул основные положения новой теории расчета железобетона по разрушающим усилиям. В ннх учитывалось, что прн изгибе железобетонной балкн в стадии разрушения вследствие развития пластических деформаций в арматуре н бетоне напряжения достигают предельных значений, что и определяет величину разру­шающего момента.

Для проверки новой теории в лаборатории железобетонных кон­струкций б. ЦНИПС под руководством А. А. Гвоздева были прове­дены обширные эксперименты и теоретические исследования, позво­лившие создать принципиально новую теорию расчета и армирования железобетонных конструкций. Расчет по несущей способности был распространен на внецентренно сжатые элементы (М. С. Борншан - скнй) н конструкции с жесткой арматурой (А. П. Васильев).

Эта теория легла в основу новых норм и технических условий НнТУ-38, согласно которым в СССР впервые на несколько десяти­летий раньше, чем в других странах, был введен расчет железобетон­ных элементов по стадии разрушения.

В развитии теории и практики железобетона в нашей стране большую роль сыграли исследования, проведенные советскими уче­ными (А. А. Гвоздевым, В. И. Мурашевым, П. Л. Пастернаком,

В. Михайловым, О. Я. Бергом, Я. В. Столяровым н др.). Их соб­ственные исследования и работы возглавляемых ими коллективов поз­волили решить много сложных проблем.

Идея создания нового, более совершенного, предварительно на­пряженного железобетона, высказанная еще в конце прошлого сто­летня, приобрела в 30-х годах практическое значение благодаря ра­ботам Фрейснне (Франция), Хойера (Германия) и др. Возникновение предварительно напряженного железобетона в нашей стране отно­сится к 1930 г., когда В. В. Михайлов начал проводить широкие экс­периментальные исследования. Вскоре вопросами теории расчета и конструирования предварительно напряженных. конструкций стали заниматься многие советские ученые (С. А. Дмитриев, А. П. Короа - кнн н др.).

Начиная с 1940 г. В. И. Мурашев создает теорию трещнностой- костн н жесткости железобетона.

Второй период широкого применения железобетона в СССР на - Евлся после Великой Отечественной войны (1945 г.) н продолжается pf настоящее время.

І Железобетон стал основой не только промышленного н гидротех­нического строительства, но н жнлнщного, городского, теплоэнерге­тического, транспортного, дорожного, сельскохозяйственного. Прнме - |юние сборного железобетона совершило переворот в строительной Технике.

Возникла заводская технология изготовления железобетонных інструкций. Повысилась прочность применяемых материалов. Соз­ван парк новых механизированных средств монтажа. Значительный >гресс был достигнут и в области расчета статически неопредели­мых железобетонных конструкций с учетом неупругнх деформаций методу предельного равновесия (работы А. А. Гвоздева, М. Крылова н др.). Исследования по теории ползучести бетона, предпринятые И. И. Улнцкнм, М. X. Арутюняном и др., позже су - ■ственно продвинулись благодаря работам А. А. Гвоздева, И. Васильева, С. В. Александровского н др. Расчет и. конструирование подземных сооружений — метрополи - "нов и туннелей разного назначения — обогащаются новыми ндея - №, заложенными в трудах С. С. Давыдова и др. В 50-х годах разра - іатьівается теория расчета н конструирования жаростойких желе - >бетонных конструкций прн действии высоких температур И. Мурашев, А. Ф. Мнлованов н др.).

В этот период конструктивные формы претерпели большие нзме- [Ия в связи с переходом на полносборное строительство и освое - іем предварительного напряжения конструкций, которое в настоя­щее время налажено почти на всех заводах строительной индустрии. >являются новые конструкции железобетонных многоэтажных кар - існьїх н панельных зданий нз сборных элементов заводского изго- (вления, разрабатывается новая теория нх расчета.

Организовано проектирование типовых конструкций, создана но­менклатура сборных типовых железобетонных изделий для массово­го производства н применения.

Дальнейшим развитием в области теории железобетона стал «данный в СССР н применяемый с 1955 г. единый метод расчета инструкций по предельным состояниям, который был положен в їнову главы СНиП «Бетонные и железобетонные конструкции».

В нормах обобщены результаты исследований (кроме отмечен гх выше) К. В. Михайлова н Н. М. Мулнна по новым видам ар ітурьі; С. А. Дмитриева н др. по расчету железобетонных элементов П. Васильева, Г. И. Бердического, А. С. Залесова, Н. И. Кар iko, Г. К. Хайдукова, Ю. П. Гущи и др. по конструктивным ре іям; С. А. Миронова, В. М. Москвина, а также исследования >гих других ученых.

Особенность этот» периода — широкое участие вузов - а разработ Re и внедрении новых типов конструкций и многих вопросов теори» железобетона: в Московском ннженерно-стронтельном институте (В. Н. Банков — совместная работа сборных конструкций в плоских и пространственных системах; П. Ф. Дроздов и Э. Е. Снгалов — тео­рия расчета конструкций гражданских зданий большой этажности; К. К - Антонов — экономика железобетонных конструкций на стадии нх проектирования; И. А. Трифонов — пространственная работа про­летных строений конструкций эстакадно-мостового тнпа; Н. Н. По­пов — железобетонные конструкции прн импульсных дннамнческнх воздействиях; Н. Н. Складнев — оптимизация железобетонных кон­струкций) ; в Московском институте инженеров транспорта (С. С. Да­выдов— полимербетоны н конструкции с нх применением); во Все­союзном заочном политехническом институте (А. М. Овечкнн —пре­дельное состояние куполов); во Всесоюзном заочном строительном институте (В. М. Бондаренко — инженерные методы нелннейнбй тео­рии железобетона); в Московском автодорожном институте (Г. И. Попов — особенности-сопротивления конструкций с примене­нием специальных бетонов); в Ленинградском ннженерно-стронтель­ном институте (Н. Я. Панарин — задачи ползучести бетона, А. П. Пав­лов — напряженные состояния некоторых пространственных покры­тий, Г. Н. Шоршнев — железобетонные специальные конструкции с повышенным содержанием арматуры); в Полтавском ннженерно - стронтельном институте (М. С. Торяннк — косой нзгнб и внецент- ренное сжатие); в Челябинском политехническом институте (А. А. Оатул — сцепление арматуры с бетоном); в Вильнюсском по­литехническом институте (А. П. Кудзнс — свойства центрифугирован­ных железобетонных элементов); в Ростовском ннженерно-строн­тельном н Ереванском политехническом институтах (Р. Л. Манлян, В. В. Пинаджяя — железобетонные конструкции на легких природных заполнителях) и в других вузах.

Коренной переработке нормы подвергались в 1971—1975 гг. с учетом практики проектирования и научных исследований. В 1983 г. в главу СНиП Н-21-75 внесены новые изменения, а обозначеиня приняты в соответствии со стандартами СЭВ.

Поставленные XXVI съездом КПСС и последующими Пленума­ми ЦК КПСС задачи дальнейшего технического совершенствования строительной индустрии и промышленности строительных материалов и развития нх до уровня, обеспечивающего потребности народного хозяйства, решаются на базе использования достижений научно-тех­нического прогресса, совершенствования н развития строительной ~ индустрии, применения в строительстве сборных конструкций завод­ского изготовления, увеличения объема, повышения качества и син* жения стоимости капитального строительства.

Бетон для железобетонных конструкций

If Бетон как материал для железобетонных конструк­ций должен обладать вполне определенными, наперед ^заданными физнко-механнческнми свойствами: необхо­димой прочностью, хорошим сцеплением с арматурой, до­статочной плотностью (непроницаемостью) для защиты..арматуры от коррозии.

І В зависимости от назначения железобетонной конст­рукции и условий ее эксплуатации бетон должен еще ^удовлетворять специальным требованиям: морозостойко­сти прн многократном замораживании и оттаивании (на­пример, в панелях наружных стен здании, в открытых со­оружениях и др.), жаростойкости прн длительном воз­действии высоких температур, коррозионной стойкости ври агрессивном воздействии среды и др. Бетоны подразделяют по ряду признаков: а) структуре — плотной структуры, у которых прост­ранство между зернами заполнителя полностью занято "затвердевшим вяжущим; крупнопористые малопесчаные и беспесчаные; порнзованные, т. е. с заполнителями и ис­кусственной пористостью затвердевшего вяжущего; яче­истые с искусственно созданными замкнутыми порами; І б) средней плотности — особо тяжелые со средней Пилотностью более 2500 кг/м3; тяжелые — со средней плот­ностью более 2200 н до 2500 кг/м3; облегченные со сред - |Ней плотностью более 1800 и до 2200 кг/м3; легкие со Цсредней плотностью более 500 и до 1800 кг/м3; || в) виду заполнителей — на плотных заполнителях; ■ористых заполнителях; специальных заполнителях, удов­летворяющих требованиям биологической защиты, жа­ростойкости и др.;

Г) Зерновому составу - г - крупнозернистые с крупными н мелкими заполнителями; мелкозернистые с мелкими заполнителями;

Д) Условиям твердения — бетон естественного тверде­ния; бетон, подвергнутый тепловлажностной обработке при атмосферном давлении; подвергнутый автоклавной обработке при высоком давлении.

Сокращенное наименование бетонов, применяемых для несущих железобетонных конструкций, установлено сле­дующее:

Тяжелый бетон — бетон плотной структуры, на плот­ных заполнителях, крупнозернистый, на цементном вя­жущем, при любых условиях твердения;

Мелкозернистый бетон — бетон плотной структуры, тяжелый, на мелких заполнителях, на цементном вяжу­щем при любых условиях твердения;

Легкий бетон — бетон плотной структуры, на пори­стых заполнителях, крупнозернистый, на цементном вя­жущем, при любых условиях твердения.

В качестве плотных заполнителей для тяжелых бето­нов применяют щебень из дробленых горных пород — песчаника, гранита, диабаза н др. — н природный квар­цевый песок. Пористые заполнители могут быть естест­венными — перлит, пемза, ракушечник н др. — или искус­ственными — керамзит, шлак н т. п. В зависимости от вида пористых заполнителей различают керамзитобетон^ шлакобетон, перлнтобетон н т. д.

Бетоны порнзованные, ячеистые, а также на пористых заполнителях со средней плотностью 1400 кг/м3 н менее применяют преимущественно для ограждающих конст­рукций. Бетоны особо тяжелые применяют в конструк­циях для биологической защиты от излучений. Чтобы получить бетон, обладающий заданной прочностью н удов­летворяющий перечисленным выше специальным требо­ваниям, подбирают по количественному соотношению не­обходимые составляющие материалы: цементы различ­ного вида, крупные н мелкие заполнители, добавки различного вида, обеспечивающие удобоукладываемость смеси или морозостойкость, н т. п.

На прочность бетона оказывают влияние многие фак­торы: зерновой состав (его подбирают так, чтобы объем пустот в смеси заполнителей был наименьшим), проч­ность заполнителей н характер их поверхности, марка цемента н его количество, количество воды н др. При ше-
р^ховатой и угловатой поверхности заполнителей повы - щается их сцепление с цементным раствором, поэтому батоны, приготовленные на щебне, имеют большую проч­ность, чем бетоны, приготовленные на гравии. Вопросы подбора состава бетона излагаются в курсах строитель­ных материалов.

Необходимая плотность бетона достигается подбором зернового состава, высококачественным уплотнением бе­тонной смеси при формовании, применением достаточно­го количества цемента, которое колеблется от 250 до 500 кг/м3. Повышение плотности бетона ведет и к повы­шению его прочности. Чтобы сократить расход цемента, марка его должна быть выше требуемой прочности бе­тона.

Структура бетона и ее влияние на прочность и деформативность

Структура бетона оказывает большое влияние на прочность и деформативность бетона. Чтобы уяснить этот вопрос, рассмотрим схему физико-химического про­цесса образования бетона. При затворении водой смеси Из заполнителей и цемента начинается химическая реак­ция соединения минералов цемента с водой, в результа­те которой образуется гель — студнеобразная пористая масса со взвешенными в воде, еще не вступившими в хи­мическую реакцию, частицами цемента и незначительны­ми соединениями в виде кристаллов. В процессе переме­шивания бетонной смеси гель обволакивает отдельные зерна заполнителей, постепенно твердеет, а кристаллы постепенно соединяются в кристаллические сростки, рас­тущие с течением времени. Твердеющий гель превраща­ется в цементный камень, скрепляющий зерна крупных И мелких заполнителей в монолитный твердый матери­ал— бетон.

Существенно важным фактором, влияющим на струк­туру и прочность бетона, является количество воды, при­меняемое для приготовления бетонной смеси, оценивае­мое водоцементным отношением W/C (отношением взве­шенного количества воды к количеству цемента в едини­це объема бетонной смеси). Для химического соединения с цементом необходимо, чтобы W/C«0,2. Однако по технологическим соображениям — для достижения до­статочной подвижности и удобоукладываемости бетон-

Ной смеси — количество воды берут с некоторым избыт­ком,. Так, подвижные бетонные смеси, заполняющие фор­му ЦОД влиянием текучести, имеют W/C=0,5...0,6, а жест­кие бетонные смеси, заполняющие форму под влиянием механической виброобработки, имеют W/C=0,3...0,4.

Избыточная, химически несвязанная вода частью вступает впоследствии в химическое соединение с менее активными частицами цемента, а частью заполняет мно­гочисленные поры и капилляры в цементном камне и по­лостях между зернами крупного заполнителя и стальной арматурой и, постепенно испаряясь, освобождает их. По данным исследований, поры занимают около трети объе­ма цементного камня; с уменьшением W/C пористость цементного камня уменьшается и прочность бетона уве­личивается. Поэтому в заводском производстве железо­бетонных изделий применяют преимущественно жесткие бетонные смеси с возможно меньшим значением W/C. Бетоны из жестких смесей обладают большей прочно­стью, требуют меньшего расхода цемента и меньших сро­ков выдержки изделий в формах.

Таким образом, структура бетона оказывается весьма неоднородной: она образуется в виде пространственной решетки нз цементного камня, заполненной зернами пес­ка и щебня различной крупности и формы, пронизанной большим числом микропор и капилляров, содержащих химически несвязанную воду, водяные пары и воздух. Физически бетон представляет собой капиллярно-пори­стый материал, в котором нарушена сплошность массы и присутствуют все три фазы — твердая, жидкая и газо­образная. Цементный камень также обладает неоднород­ной структурой и состоит из упругого кристаллического сростка и наполняющей его вязкой массы — геля.

Длительные процессы, происходящие в таком матери­але,— изменение водного баланса, уменьшение объема твердеющего вязкого геля, рост упругих кристалличес­ких сростков — наделяют бетон своеобразными упруго- пластическими свойствами. Эти свойства проявляются в характере деформирования бетона под нагрузкой, во взаимодействии с температурно-влажностным режимом окружающей среды.

Исследования показали, что теории прочности, пред­ложенные для других материалов, к бетону непримени­мы. Зависимость между составом, структурой бетона, его прочностью и деформативностью представляет собой за­дачу, над которой работают исследователи. Суждения © Прочности и деформативности бетона основаны на боль­шом числе экспериментов, выполненных & лабораторных и натурных условиях.

Усадка бетона и начальные напряжения

' Бетон обладает свойством уменьшаться в объеме при

S тйердении в обычной воздушной среде (усадка бетона) и увеличиваться в объеме при твердении в воде (набухание бетона). Бетоны, приготовленные на специальном це­менте (расширяющемся или безусадочном^, не дают усадки. Усадка бетона, как показывают опыты, зависит от ряда причин: 1) количества и вида цемента — чем больше цемента на единицу объема бетона, тем больше усадка, при этом высокоактивные и глиноземистые це­менты дают большую усадку: 2) количества воды — чем больше W/C, тем больше усадка; 3) крупности заполни­телей — при мелкозернистых песках и пористом щебне усадка больше.

Влияние заполнителей на уменьшение усадки тем сильнее, чем выше их способность сопротивляться дефор­мированию, т. е. чем выше их модуль упругости. При разной крупности зерен заполнителей и меньшем объеме пустот меньше и усадка. Различные гидравлические до­бавки и ускорители твердения (например, хлористый кальций), как правило, увеличивают усадку.

Обычно усадка бетона происходит наиболее интенсив­но в начальный период твердения и в течение первого года, в дальнейшем она постепенно затухает. Скорость усадки зависит от влажности окружающей среды — чем меньше влажность, тем больше усадочные деформации И выше скорость их роста. Усадка бетона под нагрузкой при длительном сжатии ускоряется, а при длительном растяжении, наоборот, замедляется.

Усадка бетона связана с физико-химическими про­цессами твердения и уменьшения объема цементного ге­ля, потерей избыточной воды на испарение во внешнюю среду, на гидратацию с еще непрореагировавшими час­тицами цемента. По мере твердения цементного геля, уменьшения его объема и образования кристаллических сростков усадка бетона затухает. Капиллярные явления в цементном камне, вызванные избыточной водой, также влияют на усадку бетона — поверхностные натяжения

Менисков вызывают давление на стенки капилляров, и" происходят объемные деформации.

Усадке цементного камня в период твердения бетона ' препятствуют заполнители, которые становятся внутрен­ними связями, вызывающими в цементном камне началь­ные растягивающие напряжения. По мере твердения геля образующиеся в нем кристаллические сростки становят­ся такого же рода связями. Неравномерное высыхание бетона приводит к неравномерной его усадке, что в свою очередь, ведет к возникновению начальных усадочных напряжений. Открытые, быстрее высыхающие поверхно­стные слои бетона испытывают растяжение, в то время как внутренние, более влажные зоны, препятствующие усадке поверхностных слоев, , оказываются сжатыми. Следствием таких начальных растягивающих напряже­ний являются усадочные трещины в бетоне.

Начальные напряжения, возникающие под влиянием усадки бетона, не учитывают непосредственно в расчете прочности железобетонных конструкций; их учитывают расчетными коэффициентами, охватывающими совокуп­ность характеристик прочности, а также конструктивны­ми мерами— армированием элементов. Уменьшить на­чальные усадочные напряжения в бетоне можно техно­логическими мерами — подбором состава, увлажнением среды при тепловой обработке твердеющего бетона, ув­лажнением поверхности бетона и др., а также конструк­тивными мерами— устройством усадочных швов в кон­струкциях.