Железобетон

Совместная работа арматуры и бетона достигается сцеплением поверхностей арматуры и бетона. Сцепление обеспечивается тремя основными факторами:

o сопротивлением бетона усилиям среза и смятия, обусловленным выступами (см. рис.2.4) и другими неровностями на поверхности арматуры, то есть механическим зацеплением арматуры за бетон;

o силами трения, возникающими по поверхности арматуры благодаря обжатию стержней бетоном при его усадке;

o склеиванием поверхности арматуры с бетоном благодаря вязкости коллоидной массы цементного теста.

Наибольшее влияние оказывает первый фактор – 75% от общей величины сцепления.

На величину сцепления оказывает отрицательное влияние:

o загрязнение поверхности арматуры;

o несоблюдение требуемого зазора между арматурными стержнями и толщины защитного слоя.

В таблице 2.8 приведены значения толщины защитного слоя, которые в зависимости от условий эксплуатации могут обеспечить как сцепление арматуры с бетоном, так и защиту арматуры в процессе эксплуатации железобетонных конструкций, то есть в итоге - долговечность железобетонных конструкций.

Таблица 2.8

Условия эксплуатации конструкций зданий	Толщина защитного слоя бетона, мм
В закрытых помещениях при нормальной или пониженной влажности
В закрытых помещениях при повышенной влажности (при отсутствии дополнительных защитных мероприятий)
На открытом воздухе (при отсутствии дополнительных защитных мероприятий)
В грунте (при отсутствии дополнительных защитных мероприятий) в фундаментах при наличии бетонной подготовки

Кроме того, толщина защитного слоя:

o принимается не менее диаметра арматурных стержней;

o уменьшается для сборных железобетонных конструкций на 5 мм;

o уменьшается на 5 мм для конструктивной арматуры по сравнению с требуемой для рабочей арматуры.

Минимальное расстояние в свету между стержнями арматуры принимается не менее наибольшего диаметра стержня и не менее величин, приведенных в таблице 2.9. При этом:

o при стесненных условиях допускается располагать стержни диаметром d_si группами;

o расстояние в свету между группами из n стержней принимается не менее приведенного диаметра стержня

Таблица 2.9

Положение конструкции при бетонировании. Расположение арматуры в конструкции	Минимальное расстояние между стержнями, мм
При горизонтальном или наклонном положении стержня при бетонировании, для нижней арматуры, расположенной в один ли два ряда
То же для верхней арматуры
То же при расположении нижней арматуры более чем в два ряда (кроме стержней двух нижних рядов), а также при вертикальном положении конструкции при бетонировании

Экспериментальные исследования сцепления арматуры с бетоном производятся путем выдергивания арматурного стержня, заделанного в бетон. На рисунке 2.4 показано распределение напряжений выдергивания s_s и сцепления t_сц вдоль испытуемого образца - стержня арматуры.

Для определения напряжения сцепления можно рассмотреть два близких сечения стержня на расстоянии DХ с переменным растягивающим усилием Z. Если обозначить диаметр стержня через u, а напряжение сцепления на единицу поверхности через t_сц, то приращение растягивающего усилия по длине стержня определится по формуле:

DZ=t_сц´ u´DХ, где u=p d.

Иначе приращение растягивающего усилия можно определить через площадь поперечного сечения испытуемого образца A_s, а приращение напряжений выдергивания Ds_s по формуле:

DZ=A_s´Ds_s, где A_s=pd²/4.

Приравнивая обе части уравнения устанавливаются:

o напряжение сцепления: t_сц.=,

o длина анкеровки l_an=

Из формулы следует, что длина анкеровки определяется диаметром арматуры и напряжением (классом) арматуры. В свою очередь, входящая в формулу величина сцепления определяется классом бетона, другими качественными показателями, определяющими сцепление бетона и арматуры. Однако эксперименты также показывают, что сцепление, прежде всего, определяется механическим зацеплением (выступы профиля арматуры, крюки). Гораздо в меньшей степени сказывается склеивание бетона и арматуры и трение между ними.

Экспериментальные исследования сцепления арматуры с бетоном позволили сделать вывод о том, что выдергивающая сила воспринимается только определенным участком заделанного стержня, увеличение длины заделки (анкеровки) не меняет напряженного состояния.

Рис. 2.4. Распределение напряжений выдергивания s_s и сцепления t_сц вдоль испытуемого образца - стержня арматуры

Длина анкеровки арматуры согласно [2] определяется по формуле:

где - базовая длина анкеровки, которая, в свою очередь, зависит от R_s – расчетного сопротивления арматуры растяжению; А_s и u_s – площади поперечного сечения и периметра анкеруемого стержня; - расчетного сопротивления сцепления арматуры с бетоном (h₁ – коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры: h₁=1,5 – для арматуры класса А240, h₁=2 – для арматуры класса В500, h₁=2,5 – для арматуры классов А300, А400, А500; h₂ – коэффициент, учитывающий влияние размера диаметра арматуры: h₂ =1 при d_s£32 мм; h₂ =0,9 при d_s=36 мм и d_s=40 мм);

A_s,cal, A_s,ef – площадь поперечного сечения арматуры, соответственно требуемая по расчету и фактически установленная;

a - коэффициент, учитывающий влияние на длину анкеровки напряженного состояния бетона и арматуры, а также конструктивного решения элемента в зоне анкеровки. Если рассматриваются стержни периодического профиля с прямыми концами или гладкие стержни с крюками или петлями без дополнительных анкерующих устройств, то принимается a=1 для растянутых стержней и a=0,75 для сжатых стержней.

Другая важная особенность работы железобетона связана с влиянием усадки бетона. Усадка бетона при наличии в нем арматуры может приводить к возникновению в бетоне растягивающих напряжений. Арматура препятствует свободному проявлению усадки. При значительном насыщении сечения строительной конструкции арматурой растягивающие напряжения достигают предела прочности, и в бетоне могут возникать трещины (усадочные трещины) без приложения нагрузки.

Для определения безопасного коэффициента армирования железобетонных конструкций (с точки зрения негативных проявлений усадки) рассмотрим деформации усадки бетонного и железобетонного образца (см. рис. 2.5).

Предельные относительные деформации усадки железобетона e_s будут меньше предельных относительных деформаций усадки бетона e_b,sh на величину предельных относительных деформаций бетона e_bt,0:

e_b,sh=e_s+e_bt,0.

Рассматриваемый процесс усадки происходит без внешней нагрузки, поэтому сжимающие усилия в арматуре уравновешиваются растягивающими усилиями в бетоне:

А_b´s_bt= А_s´s_s, .

С учетом связи между напряжениями и деформациями: для арматуры - s_s=E_s´e_s, для бетона s_bt=0,5´E_b´e_bt,0. После ввода в итоговую формулу коэффициента приведения и замены s_bt на R_bt,n получается формула определения безопасного коэффициента армирования: .

Для класса бетона В25 .

Коэффициент армирования получился высокий, но все равно с учетом неравномерности усадки для сильно армированных конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе, рекомендуется применять противоусадочные сетки у открытых поверхностей конструкций.

Совместно с действием усадки протекает ползучесть. Во всех случаях ползучесть уменьшает усадочные напряжения.

Коррозия железобетона. Процесс коррозии может протекать и в бетоне, и в арматуре. Коррозия бетона может быть вызвана фильтрацией через него воды и связана с растворением составных частей цементного камня, в первую очередь, - гидрата окиси кальция.

Коррозия бетона также связана с воздействием агрессивных по отношению к бетону сред:

o газообразной (воздух загрязненной атмосферы);

o твердой (атмосферная пыль; грунт);

o жидкой (агрессивные природные и технические воды).

Наиболее опасны для бетона:

o соли ряда кислот, особенно серной кислоты;

o воды (в том числе грунтовые), содержащие сернокислый кальций;

o кислоты: соляная, азотная, серная и сернокислая.

Коррозия арматуры может быть следствием уменьшения против требуемой толщины защитного слоя; дефектов укладки бетона; малой плотности бетона; увеличением ширины раскрытия трещин больше нормативной.

Коррозия арматуры может возникать независимо от коррозии бетона. Под давлением растущей на арматуре ржавчины происходит откалывание защитного слоя, и процесс коррозии ускоряется.

Коррозионная стойкость бетонных и железобетонных конструкций может быть обеспечена мерами первичной и вторичной защиты.

Первичная защита: применение материалов, стойких к агрессивным средам; применение добавок, повышающих коррозионную стойкость; снижение проницаемости бетона; соблюдение расчетных и конструктивных требований.

Вторичная защита: лакокрасочные покрытия; оклеечная изоляция; обмазочные и штукатурные покрытия; уплотняющие пропитки поверхностного слоя бетона химически стойкими материалами; обработка гидрофобизирующими составами.

Рис. 2.5. К определению влияния усадки на напряженное состояние железобетонного элемента

Лекция №3

Дата добавления: 2014-01-20