Железобетон , также называемый железобетоном , представляет собой композиционный материал , в котором относительно низкая прочность на растяжение и пластичность бетона компенсируется включением арматуры, имеющей более высокую прочность на растяжение или пластичность. Арматура обычно, хотя и не обязательно, представляет собой стальные стержни ( арматура ) и обычно пассивно встраивается в бетон до того, как бетон схватится. Однако пост-напряжение также используется в качестве метода армирования бетона. По объему ежегодного использования это один из самых распространенных конструкционных материалов. [1] [2] С точки зрения коррозионной техники , при правильном проектировании щелочность бетона защищает стальную арматуру от коррозии . [3]
Схемы армирования обычно разрабатываются так, чтобы противостоять растягивающим напряжениям в определенных участках бетона, которые могут вызвать неприемлемое растрескивание и/или разрушение конструкции. Современный железобетон может содержать различные армирующие материалы из стали, полимеров или альтернативных композитных материалов в сочетании с арматурой или без нее. Железобетон также может подвергаться постоянным нагрузкам (бетон при сжатии, арматура при растяжении), чтобы улучшить поведение конечной конструкции при рабочих нагрузках. В Соединенных Штатах наиболее распространенные методы выполнения этой операции известны как предварительное и последующее натяжение .
Для прочной, пластичной и долговечной конструкции арматура должна обладать как минимум следующими свойствами:
Франсуа Куанье использовал железобетон как метод возведения строительных конструкций. [4] В 1853 году Куанье построил первую железобетонную конструкцию - четырехэтажный дом на улице Шарль Мишель, 72 в пригороде Парижа. [4] Описания армирования бетона, данные Куанье, позволяют предположить, что он делал это не для увеличения прочности бетона, а для предотвращения опрокидывания стен в монолитной конструкции. [5] Здание Пиппена в Бруклине является свидетельством его техники. В 1854 году английский строитель Уильям Б. Уилкинсон укрепил бетонную крышу и полы двухэтажного дома, который он строил. Его расположение арматуры продемонстрировало, что, в отличие от своих предшественников, он знал растягивающие напряжения. [6] [7] [8]
Жозеф Монье , французский садовник 19-го века, был пионером в разработке структурного, сборного и железобетона, будучи неудовлетворенным существующими материалами, доступными для изготовления прочных цветочных горшков. [9] Ему был выдан патент на армирование бетонных цветочных горшков путем смешивания проволочной сетки и строительного раствора. В 1877 году Монье получил еще один патент на более совершенную технику армирования бетонных колонн и балок с использованием железных стержней, расположенных в виде сетки. Хотя Монье, несомненно, знал, что армирование бетона улучшит его внутреннее сцепление, неясно, знал ли он вообще, насколько повышается прочность бетона на растяжение за счет армирования. [10]
До 1870-х годов использование бетонных конструкций, хотя и восходило к Римской империи и было вновь введено в действие в начале 19 века, еще не было проверенной научной технологией. Таддеус Хаятт опубликовал отчет, озаглавленный «Отчет о некоторых экспериментах с портландцементным бетоном в сочетании с железом в качестве строительного материала, со ссылкой на экономию металла в строительстве и безопасность от пожара при изготовлении крыш, полов и пешеходных поверхностей». , в котором он сообщил о своих экспериментах по поведению железобетона. Его работа сыграла важную роль в развитии бетонного строительства как проверенной и изученной науки. Без работы Хаятта для развития технологии можно было бы использовать более опасные методы проб и ошибок. [5] [11]
Эрнест Л. Рэнсом , инженер английского происхождения, был одним из первых новаторов в области железобетонных технологий в конце 19 века. Используя знания о железобетоне, полученные за предыдущие 50 лет, Рэнсом усовершенствовал почти все стили и методы более ранних изобретателей железобетона. Ключевым нововведением Рэнсома было скручивание стального стержня, тем самым улучшая его сцепление с бетоном. [12] Получив все большую известность благодаря своим бетонным зданиям, Рэнсом смог построить два первых железобетонных моста в Северной Америке. [13] Один из его мостов до сих пор стоит на острове Шелтер в Ист-Энде Нью-Йорка. Одним из первых бетонных зданий, построенных в Соединенных Штатах, был частный дом, спроектированный Уильямом Уордом и построенный в 1876 году. Дом был специально спроектирован с учетом огнестойкости. .
Г. А. Вайс был немецким инженером-строителем и пионером в области строительства из железа и сталебетона. В 1879 году Уэйсс купил немецкие права на патенты Монье, а в 1884 году его фирма Wayss & Freytag впервые начала коммерческое использование железобетона. Вплоть до 1890-х годов Уэйсс и его фирма внесли большой вклад в развитие системы армирования Монье, утвердив ее как хорошо разработанную научную технологию. [10]
Одним из первых небоскребов из железобетона было 16-этажное здание Ингаллс в Цинциннати, построенное в 1904 году. [8]
Первым железобетонным зданием в Южной Калифорнии была пристройка Лафлина в центре Лос-Анджелеса , построенная в 1905 году. [14] [15] Сообщается, что в 1906 году было выдано 16 разрешений на строительство железобетонных зданий в городе Лос-Анджелес, включая Храм . Аудитория и 8-этажный отель Hayward. [16] [17]
В 1906 году в результате частичного обрушения отеля Биксби в Лонг-Бич во время строительства погибли 10 рабочих, поскольку опоры были сняты преждевременно. Это событие послужило толчком к тщательному изучению практики возведения бетона и проведению строительных инспекций. Конструкция построена из железобетонных каркасов с ребристым полом из полой глиняной плитки и стенами из полой глиняной плитки. Эта практика была подвергнута серьезному сомнению экспертами, и были даны рекомендации по строительству из «чистого» бетона с использованием железобетона для полов и стен, а также каркасов. [18]
В апреле 1904 года Джулия Морган , американский архитектор и инженер, которая стала пионером в эстетическом использовании железобетона, завершила свою первую железобетонную конструкцию, Эль-Кампанил, 72-футовую (22-метровую) колокольню в Миллс-колледже , [19 ] расположен через залив от Сан-Франциско . Два года спустя Эль Кампаниль без каких-либо повреждений пережила землетрясение в Сан-Франциско в 1906 году , [20] что помогло ей завоевать репутацию и начать плодотворную карьеру. [21] Землетрясение 1906 года также изменило первоначальное сопротивление общественности железобетону как строительному материалу, который подвергался критике за его кажущуюся скучность. В 1908 году Наблюдательный совет Сан-Франциско изменил строительные нормы и правила города , разрешив более широкое использование железобетона. [22]
В 1906 году Национальная ассоциация потребителей цемента (НАКУ) опубликовала Стандарт № 1 [23] , а в 1910 году — Стандартные строительные правила по использованию железобетона . [24]
С использованием железобетонных элементов можно построить множество различных типов конструкций и компонентов конструкций, включая плиты , стены , балки , колонны , фундаменты , рамы и многое другое.
Железобетон можно разделить на сборный и монолитный .
Проектирование и внедрение наиболее эффективной системы перекрытий является ключом к созданию оптимальных строительных конструкций. Небольшие изменения в конструкции системы перекрытий могут оказать существенное влияние на затраты на материалы, график строительства, предельную прочность, эксплуатационные расходы, уровень занятости и конечное использование здания.
Без армирования строительство современных конструкций из бетона было бы невозможно.
Когда в строительстве используются железобетонные элементы, эти железобетонные элементы демонстрируют базовое поведение при воздействии внешних нагрузок . Железобетонные элементы могут подвергаться растяжению , сжатию , изгибу , сдвигу и/или кручению . [26]
Бетон представляет собой смесь крупных (камень или кирпичная крошка) и мелких (обычно песок и/или щебень) заполнителей с пастой из связующего материала (обычно портландцемента ) и воды. Когда цемент смешивается с небольшим количеством воды, он гидратируется с образованием микроскопических непрозрачных кристаллических решеток, инкапсулирующих и удерживающих заполнитель в жесткой форме. [27] [28] Заполнители, используемые для изготовления бетона, не должны содержать вредных веществ, таких как органические примеси, ил, глина, бурый уголь и т. д. Типичные бетонные смеси обладают высокой устойчивостью к сжимающим напряжениям (около 4000 фунтов на квадратный дюйм (28 МПа)); однако любое заметное напряжение ( например, из-за изгиба ) разрушит микроскопическую жесткую решетку, что приведет к растрескиванию и расслоению бетона. По этой причине типичный неармированный бетон должен иметь хорошую поддержку, чтобы предотвратить развитие напряжений.
Если в бетон поместить материал, обладающий высокой прочностью на растяжение, например сталь , то композиционный материал — железобетон — сопротивляется не только сжатию, но и изгибу и другим прямым растягивающим воздействиям. Составному сечению, в котором бетон противостоит сжатию, а арматура « арматура » сопротивляется растяжению, можно придать практически любую форму и размер для строительной отрасли.
Три физические характеристики придают железобетону особые свойства:
Как правило, чтобы дать представление о порядках, сталь защищена при pH выше ~ 11, но начинает корродировать ниже ~ 10, в зависимости от характеристик стали и местных физико-химических условий, когда бетон становится карбонизированным. Карбонизация бетона наряду с попаданием хлоридов являются одними из основных причин выхода из строя арматурных стержней в бетоне.
Относительная площадь поперечного сечения стали, необходимая для типичного железобетона, обычно довольно мала и варьируется от 1% для большинства балок и плит до 6% для некоторых колонн. Арматурные стержни обычно имеют круглое поперечное сечение и различаются по диаметру. Железобетонные конструкции иногда имеют такие приспособления, как вентилируемые полые заполнители для контроля их влажности и влажности.
Распределение прочностных характеристик бетона (несмотря на армирование) по сечению вертикальных железобетонных элементов неоднородно. [29]
Арматура в железобетонной конструкции, такая как стальной стержень, должна подвергаться той же деформации или деформации, что и окружающий бетон, чтобы предотвратить разрывы, скольжение или разделение двух материалов под нагрузкой. Поддержание составного действия требует передачи нагрузки между бетоном и сталью. Прямое напряжение передается от бетона к границе раздела стержней, чтобы изменить растягивающее напряжение в арматурном стержне по его длине. Такая передача нагрузки достигается посредством сцепления (анкеровки) и идеализируется как непрерывное поле напряжений, которое развивается вблизи границы раздела сталь-бетон. Причины, по которым два различных компонента материала, бетон и сталь, могут работать вместе, заключаются в следующем: (1) Арматура может быть хорошо сцеплена с бетоном, поэтому они могут совместно противостоять внешним нагрузкам и деформироваться. (2) Коэффициенты теплового расширения бетона и стали настолько близки (1,0 × 10 −5 до1,5 × 10 −5 для бетона и1,2 × 10-5 для стали), что можно предотвратить повреждение связи между двумя компонентами, вызванное термическим напряжением . (3) Бетон может защитить закладную сталь от коррозии и размягчения, вызванного высокой температурой.
Поскольку фактическое напряжение сцепления варьируется по длине стержня, закрепленного в зоне напряжения, в действующих международных нормах спецификации используется концепция длины разработки, а не напряжения сцепления. Основным требованием для защиты от разрушения соединения является обеспечение достаточного удлинения стержня за пределы точки, в которой сталь должна развивать предел текучести, и эта длина должна быть по крайней мере равна длине его развития. Однако, если фактическая доступная длина недостаточна для полного развития, необходимо предусмотреть специальные крепления, такие как зубцы, крючки или механические концевые пластины. Та же концепция применяется к длине соединения внахлест, упомянутой в нормах, где соединения (перекрытие) предусмотрены между двумя соседними стержнями, чтобы поддерживать требуемую непрерывность напряжения в зоне соединения.
Во влажном и холодном климате железобетон для дорог, мостов, парковочных сооружений и других конструкций, которые могут подвергаться воздействию антигололедной соли , может выиграть от использования коррозионностойкой арматуры, такой как непокрытая, низкоуглеродистая/хромовая (микрокомпозитная), с эпоксидным покрытием. , арматура из горячеоцинкованной или нержавеющей стали . Хорошая конструкция и правильно подобранная бетонная смесь обеспечат дополнительную защиту во многих случаях. Арматура с низким содержанием углерода и хрома без покрытия выглядит похожей на стандартную арматуру из углеродистой стали из-за отсутствия покрытия; его высокая коррозионная стойкость заложена в микроструктуре стали. Его можно узнать по уникальной маркировке завода по стандарту ASTM на гладкой поверхности темного древесного угля. Арматуру с эпоксидным покрытием можно легко отличить по светло-зеленому цвету эпоксидного покрытия. Горячеоцинкованная арматура может быть яркой или тускло-серой в зависимости от продолжительности воздействия, а арматура из нержавеющей стали имеет типичный белый металлический блеск, который легко отличить от арматурного стержня из углеродистой стали. Ссылка на стандартные спецификации ASTM A1035/A1035M Стандартные спецификации для деформированных и гладких низкоуглеродистых, хромистых стальных стержней для армирования бетона, Стандартные спецификации A767 для горячеоцинкованных арматурных стержней, Стандартные спецификации A775 для стальных арматурных стержней с эпоксидным покрытием и Стандартные спецификации A955 для деформированных и простые стержни из нержавеющей стали для армирования бетона.
Другой, более дешевый способ защиты арматуры — покрытие ее фосфатом цинка . [30] Фосфат цинка медленно реагирует с катионами кальция и гидроксил- анионами, присутствующими в поровой воде цемента, и образует стабильный слой гидроксиапатита .
Проникающие герметики обычно необходимо наносить через некоторое время после затвердевания. К герметикам относятся краска, пенопласт, пленки и алюминиевая фольга , войлок или тканевые маты, пропитанные смолой, а также слои бентонитовой глины, иногда используемые для герметизации дорожного полотна.
Ингибиторы коррозии , такие как нитрит кальция [Ca(NO 2 ) 2 ], также можно добавлять в водную смесь перед заливкой бетона. Обычно 1–2 мас. % [Ca(NO 2 ) 2 ] по отношению к массе цемента необходим для предотвращения коррозии арматуры. Нитрит-анион является мягким окислителем , который окисляет растворимые и подвижные ионы железа (Fe 2+ ), присутствующие на поверхности корродирующей стали, и вызывает их осаждение в виде нерастворимого гидроксида железа (Fe(OH) 3 ). Это вызывает пассивацию стали в местах анодного окисления. Нитрит является гораздо более активным ингибитором коррозии, чем нитрат , который является менее мощным окислителем двухвалентного железа.
Балка изгибается под действием изгибающего момента , что приводит к небольшой кривизне. На внешней стороне (грань растяжения) кривизны бетон испытывает растягивающее напряжение, а на внутренней стороне (грань сжатия) — сжимающее напряжение.
Одноармированная балка — это балка, в которой бетонный элемент армируется только вблизи растянутой поверхности, а арматура, называемая растянутой сталью, рассчитана на сопротивление растяжению .
Балка с двойным армированием — это секция, в которой помимо растянутой арматуры также армируется бетонный элемент вблизи сжимающей поверхности, чтобы помочь бетону противостоять сжатию и воспринимать напряжения. Последняя арматура называется компрессионной сталью. Когда зона сжатия бетона не способна выдержать сжимающий момент (положительный момент), необходимо обеспечить дополнительное армирование, если архитектор ограничивает размеры сечения.
Недостаточно армированная балка — это балка, в которой способность растягивающей арматуры к растяжению меньше, чем совокупная способность к сжатию бетона и стали на сжатие (недостаточно армированная на растянутой поверхности). Когда железобетонный элемент подвергается возрастающему изгибающему моменту, растянутая сталь поддается, в то время как бетон не достигает своего предельного состояния разрушения. Поскольку растянутая сталь поддается и растягивается, «недостаточно армированный» бетон также поддается пластично, демонстрируя большую деформацию и предупреждая ее окончательное разрушение. В этом случае предел текучести стали определяет конструкцию.
Чрезмерно армированная балка — это балка, в которой предел прочности растянутой стали превышает совокупную способность сжатия бетона и сжимающей стали (чрезмерно армированная на растянутой поверхности). Таким образом, балка из «чрезмерно армированного бетона» выходит из строя из-за разрушения бетона зоны сжатия и до того, как сталь в зоне растяжения поддается деформации, что не дает никакого предупреждения перед разрушением, поскольку разрушение происходит мгновенно.
Балка со сбалансированным армированием — это балка, в которой как зоны сжатия, так и зоны растяжения достигают текучести при одинаковой нагрузке на балку, при этом бетон разрушается, а растягиваемая сталь одновременно поддается деформации. Однако этот критерий проектирования столь же рискован, как и чрезмерно армированный бетон, поскольку разрушение происходит внезапно, поскольку бетон разрушается одновременно с текучестью стали, что дает очень мало предупреждений о проблемах при разрушении при растяжении. [31]
Железобетонные элементы, несущие момент, обычно следует проектировать с недостаточной армировкой, чтобы пользователи конструкции получали предупреждение о надвигающемся обрушении.
Характеристическая прочность — это прочность материала, в котором менее 5% образца имеют меньшую прочность.
Расчетная прочность или номинальная прочность — это прочность материала, включая коэффициент запаса прочности материала. Значение коэффициента запаса прочности обычно колеблется от 0,75 до 0,85 в расчете допустимого напряжения .
Предельное предельное состояние — это теоретическая точка отказа с определенной вероятностью. Это указано в разделе «учтенные нагрузки» и «учтенные сопротивления».
Железобетонные конструкции обычно проектируются в соответствии с правилами и положениями или рекомендациями таких норм, как ACI-318, CEB, Еврокод 2 или им подобных. При проектировании железобетонных конструкций используются методы WSD, USD или LRFD. Анализ и проектирование членов RC можно осуществлять с использованием линейного или нелинейного подходов. При применении коэффициентов безопасности строительные нормы и правила обычно предлагают линейные подходы, но в некоторых случаях и нелинейные подходы. Чтобы увидеть примеры нелинейного численного моделирования и расчета, посетите ссылки: [32] [33]
Предварительное напряжение бетона — это метод, который значительно увеличивает несущую способность бетонных балок. Арматурная сталь в нижней части балки, которая во время эксплуатации будет подвергаться растягивающим усилиям, подвергается растяжению перед заливкой вокруг нее бетона. После затвердевания бетона напряжение арматурной стали ослабляется, создавая на бетон встроенную сжимающую силу. При приложении нагрузок арматурная сталь принимает на себя большее напряжение, и сжимающая сила в бетоне уменьшается, но не становится растягивающей силой. Поскольку бетон всегда находится под сжатием, он меньше подвержен растрескиванию и разрушению. [34]
.jpg/1280px-Concrete_spall_(interior_of_unit).jpg)
Железобетон может выйти из строя из-за недостаточной прочности, приводящей к механическому разрушению, или из-за снижения его долговечности. Циклы коррозии и замораживания/оттаивания могут повредить плохо спроектированный или построенный железобетон. Когда арматура подвергается коррозии, продукты окисления ( ржавчина ) расширяются и имеют тенденцию отслаиваться, растрескивая бетон и отделяя арматуру от бетона. Типичные механизмы, приводящие к проблемам с долговечностью, обсуждаются ниже.
Предотвратить растрескивание бетонной секции практически невозможно; однако размер и расположение трещин можно ограничить и контролировать с помощью соответствующего армирования, контрольных швов, методики отверждения и состава бетонной смеси. Растрескивание может привести к проникновению влаги и коррозии арматуры. Это нарушение работоспособности при проектировании предельного состояния . Растрескивание обычно является результатом недостаточного количества арматуры или слишком большого расстояния между арматурой. Бетон трескается либо под избыточной нагрузкой, либо из-за внутренних эффектов, таких как ранняя термическая усадка во время затвердевания.
Окончательное разрушение, приводящее к обрушению, может быть вызвано разрушением бетона, которое происходит, когда сжимающие напряжения превышают его прочность, текучестью или разрушением арматуры, когда напряжения изгиба или сдвига превышают прочность арматуры, или разрушением связи между бетоном и арматурой. арматура. [35]
Карбонизация или нейтрализация — это химическая реакция между углекислым газом в воздухе и гидроксидом кальция и гидратированным силикатом кальция в бетоне.
При проектировании бетонной конструкции обычно указывается бетонное покрытие арматуры (глубина арматуры внутри объекта). Минимальное покрытие бетона обычно регулируется проектными или строительными нормами . Если арматура расположена слишком близко к поверхности, может произойти преждевременный выход из строя из-за коррозии. Глубину слоя бетона можно измерить с помощью измерителя покрытия . Однако карбонизированный бетон сталкивается с проблемой долговечности только тогда, когда в нем имеется достаточно влаги и кислорода, чтобы вызвать электропотенциальную коррозию арматурной стали.
Один из методов проверки структуры на карбонизацию - просверлить свежее отверстие в поверхности, а затем обработать поверхность среза индикаторным раствором фенолфталеина . Этот раствор при контакте с щелочным бетоном становится розовым , что позволяет увидеть глубину карбонизации. Использование существующего отверстия недостаточно, поскольку открытая поверхность уже будет карбонизирована.
Хлориды могут способствовать коррозии закладной арматуры , если они присутствуют в достаточно высокой концентрации. Хлорид-анионы вызывают как локальную коррозию ( питтинговую коррозию ), так и генерализованную коррозию стальной арматуры. По этой причине для замешивания бетона следует использовать только свежую сырую или питьевую воду, следить за тем, чтобы крупные и мелкие заполнители не содержали хлоридов, а не примесей, которые могут содержать хлориды.
Когда-то хлористый кальций использовался в качестве добавки, способствующей быстрому схватыванию бетона. Также ошибочно полагали, что это предотвратит замерзание. Однако эта практика впала в немилость, когда стало известно о вредном воздействии хлоридов. Его следует избегать, когда это возможно.
Использование противообледенительных солей на дорогах, используемых для снижения температуры замерзания воды , вероятно, является одной из основных причин преждевременного выхода из строя железобетонных или предварительно напряженных настилов мостов, дорог и гаражей. Использование арматурных стержней с эпоксидным покрытием и применение катодной защиты в некоторой степени смягчили эту проблему. Также известно, что арматура из армированного волокном полимера (FRP) менее восприимчива к хлоридам. Правильно спроектированные бетонные смеси, прошедшие надлежащее затвердевание, эффективно невосприимчивы к воздействию антиобледенителей.
Другим важным источником хлорид-ионов является морская вода . Морская вода содержит около 3,5% солей по массе. Эти соли включают хлорид натрия , сульфат магния , сульфат кальция и бикарбонаты . В воде эти соли диссоциируют на свободные ионы (Na + , Mg 2+ , Cl − , SO2−
4, ОХС−
3) и мигрируют с водой в капилляры бетона. Ионы хлорида, составляющие около 50% этих ионов, являются особенно агрессивными и вызывают коррозию арматурных стержней из углеродистой стали.
В 1960-х и 1970-х годах магнезит , богатый хлоридами карбонатный минерал , также был относительно распространенным в качестве материала для покрытия пола. Это было сделано в основном в качестве выравнивающего и шумопоглощающего слоя. Однако теперь известно, что при контакте этих материалов с влагой они образуют слабый раствор соляной кислоты из-за присутствия хлоридов в магнезите. В течение определенного периода времени (обычно десятилетий) раствор вызывает коррозию закладных арматурных стержней . Чаще всего это наблюдалось во влажных помещениях или в местах, неоднократно подвергавшихся воздействию влаги.
Это реакция аморфного кремнезема ( халцедона , кремня , кремнистого известняка ), иногда присутствующего в агрегатах , с гидроксильными ионами (ОН- ) из порового раствора цемента. Плохо кристаллизованный кремнезем (SiO 2 ) растворяется и диссоциирует при высоких значениях pH (12,5 – 13,5) в щелочной воде. Растворимая диссоциированная кремниевая кислота реагирует в поровой воде с гидроксидом кальция ( портландитом ), присутствующим в цементном тесте, с образованием расширяющегося гидрата силиката кальция (CSH). Реакция щелочи -кремнезема (ASR) вызывает локализованное набухание, ответственное за растягивающее напряжение и растрескивание . Условия, необходимые для щелочно-кремнеземной реакции, тройные: (1) агрегат, содержащий щелочно-реактивный компонент (аморфный кремнезем), (2) достаточное наличие гидроксильных ионов (OH - ) и (3) достаточная влажность, относительная влажность выше 75%. (RH) внутри бетона. [36] [37] Это явление иногда в народе называют « конкретным раком ». Эта реакция происходит независимо от присутствия арматуры; Могут пострадать массивные бетонные конструкции, такие как плотины .
Устойчивый к слабым кислотам и особенно сульфатам, этот цемент быстро затвердевает и обладает очень высокой долговечностью и прочностью. После Второй мировой войны его часто использовали для изготовления сборных железобетонных изделий. Однако он может потерять прочность из-за нагрева или со временем (конверсия), особенно если он не отвержден должным образом. После обрушения трех крыш, изготовленных из предварительно напряженных бетонных балок с использованием высокоглиноземистого цемента, этот цемент был запрещен в Великобритании в 1976 году. Последующие расследования показали, что балки были изготовлены неправильно, но запрет остался. [38]
Сульфаты (SO 4 ) в почве или грунтовых водах в достаточной концентрации могут вступать в реакцию с портландцементом в бетоне, вызывая образование расширяющихся продуктов, например, эттрингита или таумазита , что может привести к преждевременному разрушению конструкции. Наиболее типичное воздействие этого типа происходит на бетонные плиты и стены фундамента на уровнях, где концентрация сульфат-иона за счет попеременного увлажнения и высыхания может увеличиваться. По мере увеличения концентрации может начаться атака на портландцемент. Для подземных сооружений, таких как трубы, этот тип нападения встречается гораздо реже, особенно на востоке США. Концентрация сульфат-ионов в почвенной массе возрастает гораздо медленнее и особенно зависит от исходного количества сульфатов в естественной почве. Химический анализ грунтовых скважин на наличие сульфатов следует проводить на этапе проектирования любого проекта, включающего контакт бетона с естественной почвой. Если концентрации оказываются агрессивными, можно применять различные защитные покрытия. Кроме того, в США в смеси можно использовать портландцемент ASTM C150 типа 5. Этот тип цемента разработан таким образом, чтобы быть особенно устойчивым к воздействию сульфатов.
В конструкции из стальных пластин стрингеры соединяют параллельные стальные пластины. Сборки пластин изготавливаются за пределами площадки и свариваются на месте, образуя стальные стены, соединенные стрингерами. Стены становятся формой, в которую заливается бетон. Конструкция из стальных пластин ускоряет строительство железобетона, сокращая трудоемкие ручные этапы связывания арматуры и строительных опалубок на месте. Этот метод обеспечивает превосходную прочность, поскольку сталь находится снаружи, где растягивающие усилия часто самые большие.
Фиброволоконная арматура в основном используется в торкрет-бетоне , но может использоваться и в обычном бетоне. Обычный бетон, армированный фиброй, в основном используется для полов и тротуаров на земле, но его также можно рассматривать для изготовления широкого спектра строительных деталей (балок, столбов, фундаментов и т. д.), как отдельно, так и с арматурой, связанной вручную.
Бетон, армированный волокнами (которые обычно представляют собой стальные, стеклянные , пластиковые волокна ) или волокнами из целлюлозного полимера, дешевле, чем арматура, связанная вручную. [ нужна цитация ] Форма, размер и длина волокна важны. Тонкое и короткое волокно, например, короткое стекловолокно в форме волоса, эффективно только в первые часы после заливки бетона (его функция состоит в уменьшении растрескивания во время застывания бетона), но оно не увеличит прочность бетона на растяжение. . Фибра нормального размера для европейского торкрет-бетона (диаметр 1 мм, длина 45 мм — сталь или пластик) увеличит прочность бетона на растяжение. Армирование волокнами чаще всего используется для дополнения или частичной замены основного арматурного стержня, а в некоторых случаях оно может быть разработано для полной замены арматурного стержня. [39]
Сталь является самым прочным из доступных волокон, [ нужна ссылка ] и бывает разной длины (от 30 до 80 мм в Европе) и формы (концевые крючки). Стальные волокна можно использовать только на поверхностях, которые могут выдерживать или избегать коррозии и пятен ржавчины. В некоторых случаях стально-фибровую поверхность облицовывают другими материалами.
Стекловолокно недорогое и устойчиво к коррозии, но не такое пластичное, как сталь. Недавно пряденное базальтовое волокно , давно доступное в Восточной Европе , стало доступно в США и Западной Европе. Базальтовое волокно прочнее и дешевле стекла, но исторически оно недостаточно устойчиво к щелочной среде портландцемента, чтобы его можно было использовать в качестве прямого армирования. В новых материалах для изоляции базальтового волокна от цемента используются пластиковые связующие.
Волокна премиум-класса представляют собой пластиковые волокна, армированные графитом , которые почти так же прочны, как сталь, легче по весу и устойчивы к коррозии. [ нужна цитация ] Некоторые эксперименты дали многообещающие ранние результаты с углеродными нанотрубками , но материал все еще слишком дорог для любого здания. [ нужна цитата ]
Существует значительное совпадение между темами неметаллической арматуры и армирования бетона волокном. Неметаллическая арматура бетона появилась относительно недавно; он принимает две основные формы: неметаллические арматурные стержни и неметаллические (обычно также неметаллические) волокна, включенные в цементную матрицу. Например, растет интерес к бетону, армированному стекловолокном (GFRC) , и к различным применениям полимерных волокон, включенных в бетон. Хотя в настоящее время нет особых предположений о том, что такие материалы заменят металлическую арматуру, некоторые из них имеют серьезные преимущества в конкретных применениях, а также есть новые применения, в которых металлическая арматура просто невозможна. Однако проектирование и применение неметаллической арматуры сопряжено с трудностями. Во-первых, бетон представляет собой сильнощелочную среду, в которой многие материалы, в том числе большинство видов стекла, имеют плохой срок службы . Кроме того, поведение таких армирующих материалов отличается от поведения металлов, например, с точки зрения прочности на сдвиг, ползучести и эластичности. [40] [41]
Армированный волокном пластик/полимер (FRP) и пластик, армированный стекловолокном (GRP), состоят из волокон полимера , стекла, углерода, арамида или других полимеров или высокопрочных волокон, помещенных в матрицу смолы для формирования арматурного стержня или сетки. или волокно. Эта арматура устанавливается практически так же, как стальная арматура. Стоимость выше, но при правильном применении конструкции имеют преимущества, в частности, резкое снижение проблем, связанных с коррозией , вызванной либо внутренней щелочностью бетона, либо внешними агрессивными жидкостями, которые могут проникнуть в бетон. Эти конструкции могут быть значительно легче и обычно имеют более длительный срок службы . Стоимость этих материалов резко снизилась с момента их широкого внедрения в аэрокосмической промышленности и в вооруженных силах.
В частности, стержни из стеклопластика полезны для конструкций, где присутствие стали недопустимо. Например, аппараты МРТ имеют огромные магниты и, соответственно, требуют немагнитных зданий. Опять же, пункты взимания платы , считывающие радиометки, нуждаются в железобетоне, прозрачном для радиоволн . Кроме того, там, где расчетный срок службы бетонной конструкции важнее ее первоначальных затрат, неметаллическая арматура часто имеет свои преимущества, когда коррозия стальной арматуры является основной причиной отказа. В таких ситуациях коррозионностойкая арматура может существенно продлить срок службы конструкции, например, в приливной зоне . Стержни из стеклопластика также могут быть полезны в ситуациях, когда существует вероятность того, что бетонная конструкция может быть нарушена в будущем, например, края балконов при замене балюстрад , полы в ванных комнатах в многоэтажном строительстве, где срок службы конструкции пола вероятно, во много раз превысит срок службы гидроизоляционной строительной мембраны.
Пластиковая арматура часто прочнее или, по крайней мере, имеет лучшее соотношение прочности и веса, чем арматурная сталь. Кроме того, поскольку он устойчив к коррозии, ему не требуется защитное бетонное покрытие такой толщины, как стальная арматура (обычно от 30 до 50 мм и более). Таким образом, конструкции, армированные стеклопластиком, могут быть легче и служить дольше. Соответственно, для некоторых применений стоимость всего срока службы будет конкурентоспособной по цене со стальным железобетоном.
Свойства материала стержней из стеклопластика или стеклопластика заметно отличаются от стали, поэтому существуют различия в конструктивных соображениях. Стержни из стеклопластика или стеклопластика имеют относительно более высокую прочность на разрыв, но меньшую жесткость, поэтому прогибы, вероятно, будут выше, чем у эквивалентных элементов, армированных сталью. Конструкции с внутренним армированием стеклопластиком обычно обладают упругой деформируемостью , сравнимой с пластической деформируемостью (пластичностью) конструкций, армированных сталью. В любом случае разрушение, скорее всего, произойдет из-за сжатия бетона, чем из-за разрыва арматуры. Прогиб всегда является важным фактором при проектировании железобетона. Пределы прогиба установлены для обеспечения контроля ширины трещин в железобетоне, чтобы предотвратить попадание воды, воздуха или других агрессивных веществ в сталь и возникновение коррозии. Для бетона, армированного стеклопластиком, эстетика и, возможно, водонепроницаемость будут ограничивающими критериями контроля ширины трещин. Стержни из стеклопластика также имеют относительно меньшую прочность на сжатие, чем стальная арматура, и, соответственно, требуют других подходов к проектированию железобетонных колонн .
Одним из недостатков использования армирования FRP является их ограниченная огнестойкость. Если пожарная безопасность является важным фактором, конструкции, в которых используется FRP, должны сохранять свою прочность и фиксацию сил при температурах, ожидаемых в случае пожара. В целях огнезащиты необходима достаточная толщина цементобетонного покрытия или защитной облицовки. Было показано, что добавление 1 кг/м 3 полипропиленовых волокон в бетон снижает растрескивание во время моделирования пожара. [42] (Считается, что улучшение связано с образованием путей из массы бетона, позволяющих рассеивать давление пара. [42] ).
Другая проблема заключается в эффективности поперечной арматуры. Арматурные хомуты из стеклопластика , изготовленные путем изгиба перед закалкой, обычно работают относительно плохо по сравнению со стальными хомутами или конструкциями с прямыми волокнами. При растяжении зона между прямыми и изогнутыми участками подвергается сильным изгибающим, сдвиговым и продольным напряжениям. Для решения таких проблем необходимы специальные методы проектирования.
Растет интерес к применению внешнего армирования существующих конструкций с использованием современных материалов, таких как композитная (стекловолокно, базальтовая, углеродная) арматура, способная придать исключительную прочность. Во всем мире существует ряд марок композитной арматуры, признанных в разных странах, таких как Aslan, DACOT, V-rod и ComBar. Количество проектов с использованием композитной арматуры увеличивается с каждым днем по всему миру, в странах от США, России и Южной Кореи до Германии.
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )