Железобетон
Железобето́н, строительный материал, состоящий из бетона и стали, которые работают под нагрузкой как единая система. Сочетание в железобетоне двух различных по структуре и физико-механическим свойствам материалов обеспечивает усиление слабо работающего на растяжение бетона стальной арматурой, которая одинаково хорошо сопротивляется и растяжению, и сжатию, восполняя недостатки бетона как конструкционного материала.
Несущая способность железобетона зависит от количества арматуры. Армирование 1–2 % от площади поперечного сечения изгибаемого элемента позволяет увеличить его несущую способность примерно в 20 раз по сравнению с чисто бетонным. Наличие арматуры в железобетонных сжатых колоннах (стойках) даёт возможность уменьшить их поперечные размеры.
Кроме стали в качестве арматуры используются неметаллические материалы (композитные, древесные и др.)
Взаимодействие бетона и арматуры в железобетоне
Совместная работа бетона и арматурной стали в железобетоне обеспечивается:
надёжным сцеплением арматуры с бетоном после его затвердевания, в результате чего оба материала деформируются совместно;
близкими по значению коэффициентами линейных температурных деформаций (для бетона 0,7·10–5 – 1,5·10–5 °C–1, для стали 1,2·10–5 °C–1), что исключает дополнительные напряжения в зоне контакта бетона и арматуры при изменении температуры от –40 до 50 °C;
наличием защитного слоя бетона для арматурной стали, который также предохраняет арматуру от коррозии, воздействия высоких температур и др.
Основа совместной работы бетона и арматуры – наличие сцепления между ними. Величина сцепления на поверхности арматуры зависит от следующих факторов: механического зацепления периодического профиля арматуры за бетон (70–80 % от общих сдвиговых усилий); адгезии арматуры к бетону. Для усиления сцепления гладкой арматуры с бетоном на концах стержней в отдельных случаях устраивают загибы и крюки. Напрягаемую арматуру крепят при помощи специальных анкерных устройств.
Особенностью работы железобетона в конструкциях является возможность образования трещин в растянутой зоне при действии внешних нагрузок. Ширина их раскрытия в стадии эксплуатации составляет 0,1–0,4 мм, это не нарушает нормальную работу железобетонных конструкций и не вызывает коррозии арматуры. Для повышения жёсткости и трещиностойкости железобетона или исключения трещин вообще (по условиям эксплуатации) железобетон подвергают обжатию путём предварительного (до приложения внешней нагрузки) натяжения арматуры. Такой железобетон называется предварительно напряжённым, из которого изготавливаются т. н. предварительно напряжённые конструкции.
Наличие арматуры в железобетоне существенно влияет на последствия усадки и ползучести бетона. Силы сцепления арматуры с бетоном вызывают стеснение арматурой деформаций усадки бетона, что приводит к возникновению в железобетоне начальных напряжений: растяжения в бетоне и сжатия в арматуре. С увеличением процента армирования сжимающие напряжения в арматуре уменьшаются, а растягивающие в бетоне увеличиваются, появляются усадочные трещины. Усадка способствует раннему образованию трещин в железобетонных элементах, испытывающих растяжение под воздействием внешних нагрузок.
Ползучесть бетона проявляется при действии постоянной нагрузки в течение времени, что приводит к перераспределению усилий: бетон частично разгружается, а арматура дополнительно нагружается. Отрицательное влияние ползучести заключается в увеличении прогибов в изгибаемых элементах, потере предварительного напряжения в преднапряжённых конструкциях, снижении несущей способности сжатых (гибких) элементов.
Материалы для изготовления железобетона
В железобетонных конструкциях применяют преимущественно тяжёлые, а также лёгкие бетоны. Использование последних позволяет снизить собственный вес, тепло- и звукопроводность изделий из железобетона.
В конструкциях из обычного (непреднапряжённого) железобетона строительные правила рекомендуют использовать бетон класса по прочности на сжатие не ниже В15. Армирование выполняется гибкой стержневой арматурой, диаметром менее 40 мм, классов А240, А300, А400, А500, В500. Армирование имеет вид плоских сеток или пространственных каркасов. Иногда применяется жёсткое армирование из прокатной профильной стали (уголки, швеллеры, двутавры).
Изготовление преднапряжённого железобетона предусматривает использование тяжёлых бетонов классов по прочности на сжатие от В20 до В60 (В80) и высокопрочной напрягаемой арматуры классов А540, А600, А800, А1000, Вр1200, Вр1300, Вр1400, Вр1500, К1400 и К1500 (канаты). Материал, изготовленный из особых бетонных смесей с дисперсным армированием небольшими металлическими элементами, носит название сталефибробетон.
Конструкционная оценка железобетона
Железобетон – основной и универсальный строительный материал, из которого изготовлено около 85 % всех строительных конструкций. Столь широкое распространение железобетона обусловлено в первую очередь практически неисчерпаемыми запасами сырья для вяжущих материалов и заполнителей бетона, а также возможностью варьировать состав железобетона для получения материала с требуемыми физико-механическими свойствами. Достоинствами железобетона являются: хорошая сопротивляемость динамическим и вибрационным нагрузкам, высокая долговечность, экономичность в эксплуатации, огнестойкость (до 500–600 °C), стойкость против атмосферных воздействий, возможность изготовления конструкций любой конфигурации, способность задерживать радиоактивное излучение. К недостаткам железобетона относятся: большой собственный вес, большая тепло- и звукопроводность, низкая трещиностойкость (за исключением преднапряжённого железобетона) и, как следствие, возможность коррозии арматуры.
Область применения железобетона
Железобетон используют:
при сооружении жилых, общественных, промышленных и сельскохозяйственных зданий и строений;
в гидротехническом (дамбы, плотины, набережные и молы) и транспортном (дороги, аэродромы, мостовые сооружения, тоннели, водопропускные трубы) строительстве;
для инженерных сооружений различного назначения и конструктивных элементов (очистные сооружения, резервуары для воды, газа и нефти, корпуса реакторов и защитных оболочек АЭС, хранилища радиоактивных отходов, водонапорные башни, телебашни, дымовые трубы, сваи, шпунты, шпалы и т. п.).
Железобетон незаменим при строительстве фундаментов любых систем, включая гравитационные и каркасные под высотное строительство.
К наиболее выдающимся сооружениям, построенным с применением железобетона (в 20 в. и начале 21 в.), можно отнести:
небоскрёб «Петронас» (Куала-Лумпур, 1997) с монолитным железобетонным каркасом, общая высота 452 м;
небоскрёб «Бурдж-Халифа» (Дубай, 2010), общая высота 828 м, высота 163-этажной железобетонной конструкции без учёта стального шпиля – 605 м;
самые высокие телебашни – в Торонто (общая высота 553,3 м) и Останкинскую в Москве (общая высота 540 м, преднапряжённая железобетонная часть 385,5 м);
крупнейшую плотину – гидроузел «Санься» (г. Ичан, провинция Хубэй, Китай, 2007), общая высота 181 м;
буровую нефтедобывающую платформу «Тролль» (Норвегия) на железобетонном гравитационном фундаменте, общая высота 472 м, подводная часть 303 м, 245 тыс. м3 железобетона;
крупнейшие в мире АЭС – Запорожскую, Балаковскую, «Олкилуото» (Финляндия);
железобетонный мост «Васко да Гама» (Лиссабон, Португалия, 1998), общая длина 17,2 км;
железобетонный вантовый автодорожный мост через пролив Скарнсунд (Норвегия, 1991) общая длина 1,01 км, основной пролёт 530 м;
крупнейший в России железобетонный автодорожный мост через Волгу, соединяющий города Саратов и Энгельс (1965), общая длина 2,8 км, пролёты по 166 м.
Сезар Пелли. Небоскрёб «Петронас», Куала-Лумпур.
Исторический очерк
Железобетон как новый конструкционный материал появился в середине 19 в. во Франции. В 1848 г. Ж. Л. Ламбо изготовил «железобетонную» лодку (приз Всемирной выставки в Париже, 1855). В 1849 г. версальский садовод Ж. Монье применил идею железобетона в армоцементных кадках для растений. «Система Монье» запатентована в 1867 г. (патент в России в 1880). Заметную роль в строительстве железобетон начал играть лишь в конце 19 в. благодаря исследованиям У. Уилкинсона (Великобритания), Ф. Куанье (Франция), Хайятта (США), Г. А. Вайса и М. Кёнена (Германия). В 1917 г. Э. Фрейсине (Франция) запатентовал виброуплотнение бетона, а в 1929 г. – преднапряжение железобетона.
В России освоение и развитие железобетона началось в 1890-х гг. под влиянием зарубежного опыта и отечественной практики. Первые испытания железобетонных конструкций проводились под руководством профессора Н. А. Белелюбского. Решающий вклад в теорию железобетона внёс А. Ф. Лолейт, положивший начало расчёту прочности железобетонных конструкций по разрушающим усилиям. Дальнейшей индустриализации железобетона способствовали разработки А. А. Гвоздева, Я. В. Столярова, В. И. Мурашёва и др. Расширение областей применения железобетона связано с совершенствованием бетонных смесей и арматурных сталей, оптимизацией сечения железобетонных конструкций, повышением их качества и надёжности.