5.3 Залізобетон і його властивості
У будівельних несучіх конструкціях, які працюють і на стиск і на розтягнення для сприймання розтягуючих напружень в розтягнуту зону конструкцій з бетону доцільно ввести матеріал, що добре працює на розтяг, наприклад, сталеві стержні (арматуру). В результаті такого поєднання утворюється залізобетон – композитний будівельний матеріал, в якому бетон і сталева арматура поєднані у монолітне ціле. В ньому при сумісній роботі вигідно сполучаються достоїнства бетону і сталі, які дуже відрізняються одне від одного за своїми механічними властивостями. Бетон має високий опір до стискальних навантажень, але низьку міцність при розтягу (у 10-20 разів менше границі міцності на стиск). Сталь має високу міцність при навантаженнях, що розтягують. Якщо сталеву арматуру розташувати в бетоні так, щоб вона сприймала зусилля, що розтягують, а бетон – що стискують, то достоїнства обох матеріалів будуть доповнювати одне одного.
Сумісна робота бетону і сталевої арматури в залізобетоні забезпечується тим, що:
а) між бетоном і сталлю виникають значні сили зчеплення, які перешкоджають ковзанню арматури в бетоні. Цей ефект підсилюється профілюванням поверхні арматури;
б) коефіцієнти температурного розширення сталі і бетону незначною мірою відрізняються між собою, тому зусилля, що виникають при зміні температури, які намагаються зсунути арматуру відносно бетону, значно менші, ніж сили зчеплення, завдяки чому монолітність залізобетону не порушується;
в) бетон надійно захищає сталеву арматуру від корозії та високої температури. Захисний шар бетону, що покриває арматуру, складає 10...30 см і дає можливість зберігати її довгий час у доброму стані.
Розрізняють монолітні і збірні бетонні та залізобетонні вироби і конструкції. Монолітні конструкції виготовляють безпосередньо на місці будівництва. Збірні конструкції і вироби виготовляють на заводах і полігонах з подальшим їх монтажем на місці будівництва.
За видом армування відрізняють збірні залізобетонні вироби зі звичайним армуванням і попередньо напруженим. Необхідність попереднього напруження арматури обумовлюється тим, що розтяжність бетону значно менша, ніж сталі. Тому у виробах з ненапруженою арматурою не повністю використовується потенційна міцність металу, а в розтягнутій зоні виробів з‘являються щілини у бетоні.
В попередньо розтягнутих залізобетонних виробах арматуру спочатку розтягують, а після виготовлення конструкції і затвердіння бетону визволяють від натягнення. При цьому арматура пружно скорочується і викликає стиснення бетону. При розтягуючих зусиллях деформації від попереднього обтиснення підсумовуються з деформаціями бетону на розтягнення, що підвищує граничну розтяжність бетону у конструкціях під експлуатаційним навантаженням.
5.4 Вплив високих температур на бетон і залізобетон
Властивості бетону і залізобетону при нагріванні обумовлюються поведінкою їх складових: цементного каменя, заповнювачів і сталевої арматури, різницею їх деформацій, величиною зчеплення бетону з арматурою, ступенем напруженого стану бетону та ін.
Розглядаючи зміну фізико-механічних властивостей заповнювачів та цементного каменя, наведену у розділах 2 і 3.3, можна очікувати, що при нагріванні до 200-300 оС міцність звичайного важкого бетону буде навіть підвищуватися через зняття внутрішніх напруг. Подальше зростання температури викличе зниження міцності бетону, внаслідок глибинних змін фізико-механічних властивостей в‘яжучої речовини – портландцементу.
Нагрівання вище 500 оС викликає дегідратацію кристалевого зростка Са(ОН)2 цементного каменя і, тому, при наступному охолодженні і зволоженні бетону слід очікувати різкого зниження його міцності внаслідок порушення суцільності за рахунок вторинного гасіння СаО, що утворюється.
Про характер поведінки при нагріванні заповнювачів у бетоні можна судити за поведінкою тих кам‘яних матеріалів, з яких одержані ці заповнювачі. Як відомо, заповнювачі бувають природні і штучні. Природні одержують з різних гірських порід (граніту, базальту, вапняку, піщанику). Штучними заповнювачами є керамічні матеріали (шамот, керамзит) та пальні шлаки - відходи при згорянні вугілля.
Температурні деформації різних заповнювачів в інтервалі температур до 1000 оС значно відрізняються одна від одної (рис. 5.5).
Порівнюючи поведінку при нагріванні різних заповнювачів, можна сказати, що найбільші температурні деформації має щебінь з піщанику, граніту або кварциту, а найменші (при нагріванні до 900 оС) – вапняковий і базальтовий. Найстійкішими при нагріванні є штучні заповнювачі: шамот, шлак, керамзит, перліт та інш.
Температурні деформації у матеріалах, що містять кварц викликані його модифікаційними перетвореннями при 575 оС, які й обумовлюють зниження міцності і термостійкості. Вапняк зберігає свою міцність до більших температур, ніж серпентит та породи, що містять кварц. Більшу відносну стійкість при високих температурах показують бетони на вапняковому заповнювачі (до 900 оС) у порівнянні з бетонами на гранітному заповнювачі (до 600 оС). Зміна міцності бетонів з гранітним та вапняковим заповнювачем при нагріванні показана на рис. 5.6.
Таким чином, на зниження міцності бетону впливають фізико-хімічні процеси, що мають місце у заповнювачах і цементному камені при дії та після дії високих температур, а також й температурні напруги.
Узагальнену схему поведінки бетонів при нагріванні можна уявити так:
– при 200-300 оС - відносна міцність підвищується через зняття внутрішніх напруг;
– при подальшому нагріванні до 500-600 оС пластичні деформації бетону розвиваються досить повільно; міцність бетону вже не зростає, і з‘являється тенденція до її падіння завдяки поступовому руйнуванню його структури внаслідок дегідратації і різниці температурних деформацій цементного каменя і заповнювачів;
– при нагріванні до 800 оС деформації повзучості різко зростають, внаслідок значного руйнування структури бетону (і модифікаційних перетворень у кварц-містких заповнювачах) сильно знижується міцність;
– при 800 оС і вище визначну роль у різкому підвищенні пластичних деформацій відіграє помітне пом‘якшення складових бетону.
Робочу температуру до 1250 оС можуть вітримати тільки спеціальні жаростійкі бетони, які виробляються з використанням глиноземистого цементу і тугоплавкого наповнювача (шамота).
У залізобетоні при високотемпературному нагріванні зміна деформаційних властивостей сталі обумовлює особливості її взаємодії з бетоном. Розвиток пластичних деформацій веде до зменшення поперечного перерізу розтягнутої арматури і, як наслідок, до послаблення її контакту з бетоном. З підвищенням температури залізобетонних конструкцій зростання різниці коефіцієнтів температурної деформації бетону і сталі викликає додаткові напруги зсуву між ними. В бетоні коефіцієнт температурної деформації при нагріванні зменшується, а в сталевій арматурі – збільшується. Тому бетон, що оточує арматуру, розтягується у поперечному напрямку, і у захисному шарі з‘являються щілини. При охолодженні властивості сталі у значній мірі відбудовуються, а бетону, навпаки, – продовжують погіршуватися через вторинне гасіння, що визначає додаткову втрату контакту між ними.
При розрахунку вогнестійкості конструкцій повинні задовольнятися вимоги до їх несучої здатності. У відповідності до норм розрахунок за несучою здатністю повинен забезпечувати збереження конструкції від руйнування під сумісною дією силових факторів і небезпечних впливів зовнішнього середовища. Граничний стан конструкції за вогнестійкістю характеризується трьома показниками (ознаками) за втратою:
– несучої здатності;
– теплоізолюючої здатності;
– щільності.
Коли кути виробів відколюються і оголюється поздовжня арматура, вогнестійкість стислих елементів підвищує поперечна арматура, забезпечуючи стійкість поздовжніх стержнів і їх сумісну роботу з бетоном.