Железобетон | |
---|---|
Тип | Композитный материал |
Механические свойства | |
Предел прочности при растяжении (σ т ) | Сильнее бетона |
Армированный бетон ( RC ), также называемый железобетонным бетоном ( RCC ), представляет собой композитный материал, в котором относительно низкая прочность на растяжение и пластичность бетона компенсируются включением арматуры, имеющей более высокий предел прочности на разрыв или пластичность. Армирование обычно, хотя и не обязательно, представляет собой стальную арматуру ( арматуру ) и обычно пассивно закладывается в бетон до его схватывания. Однако последующее натяжение также используется как метод усиления бетона. В мировом масштабе в натуральном выражении это абсолютно ключевой инженерный материал. [1] [2] ВС точки зрения инженерии коррозии , при правильном проектировании щелочность бетона защищает стальную арматуру от коррозии . [3]
Схемы армирования обычно предназначены для противодействия растягивающим напряжениям в определенных областях 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 быть постоянно напряженным (бетон при сжатии, арматура при растяжении), чтобы улучшить поведение окончательной конструкции при рабочих нагрузках. В Соединенных Штатах наиболее распространенные методы выполнения этого действия известны как предварительное натяжение и пост-натяжение .
Для прочной, пластичной и долговечной конструкции арматура должна иметь как минимум следующие свойства:
Падающая башня Невьянска в городе Невьянск в Свердловской области , Россия, является первым известным зданием, в котором в качестве метода строительства использовался железобетон. Он был построен по заказу промышленника Акинфия Демидова в 1721–1725 гг. [4] .
Франсуа Куанье использовал железобетон в качестве метода строительства строительных конструкций. [5] В 1853 году Куанье построил первую железобетонную конструкцию - четырехэтажный дом на 72 улице Шарля Михеля в пригороде Парижа. [5] Описания железобетона Куанье предполагают, что он делал это не для увеличения прочности бетона, а для того, чтобы удерживать стены в монолитной конструкции от опрокидывания. [6] Здание Пиппена в Бруклине .стоит как свидетельство его техники. В 1854 году английский строитель Уильям Б. Уилкинсон укрепил бетонную крышу и полы в строящемся им двухэтажном доме. Его расположение арматуры показало, что, в отличие от своих предшественников, он знал растягивающие напряжения. [7] [8] [9]
Жозеф Монье , французский садовник XIX века, был пионером в разработке конструкционного, сборного и железобетона, будучи недоволен существующими материалами, доступными для изготовления прочных цветочных горшков. [10] Он получил патент на армирование бетонных цветочных горшков путем смешивания проволочной сетки и минометной оболочки. В 1877 году Монье получил еще один патент на более совершенную технику армирования бетонных колонн и балок с использованием железных стержней, размещенных в виде сетки. Хотя Монье, несомненно, знал, что армирование бетона улучшит его внутреннее сцепление, неясно, знал ли он вообще, насколько прочность бетона на растяжение была улучшена за счет армирования. [11]
До 1870-х годов использование бетонных конструкций, хотя и относилось к Римской империи и было повторно введено в начале 19 века, еще не было проверенной научной технологией. Таддеус Хаятт опубликовал отчет под названием «Отчет о некоторых экспериментах с портландцементным бетоном в сочетании с железом в качестве строительного материала» со ссылкой на экономию металла в строительстве и защиту от огня при изготовлении крыш, полов и пешеходных дорожек., в котором он сообщил о своих экспериментах по поведению железобетона. Его работы сыграли важную роль в развитии бетонного строительства как проверенной и изученной науки. Без работы Hyatt для развития технологий можно было бы полагаться на более опасные методы проб и ошибок. [6] [12]
Эрнест Л. Рэнсом , инженер английского происхождения, был одним из первых изобретателей технологии железобетона в конце 19 века. Используя знания в области железобетона, накопленные за предыдущие 50 лет, Рэнсом улучшил почти все стили и методы более ранних изобретателей железобетона. Ключевым нововведением Рэнсома было скручивание стального арматурного стержня, что улучшило его сцепление с бетоном. [13] Получая все большую известность благодаря своим бетонным зданиям, Рэнсом смог построить два первых железобетонных моста в Северной Америке. [14] 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, былчастный дом, спроектированный Уильямом Уордом , завершенный в 1876 году. Дом был специально разработан, чтобы быть пожаробезопасным.
Г.А. Вайсс был немецким инженером-строителем и пионером в строительстве железобетона и стального бетона. В 1879 году Вэйсс купил немецкие права на патенты Монье, а в 1884 году его фирма Wayss & Freytag впервые использовала железобетон в коммерческих целях. Вплоть до 1890-х годов Уэйсс и его фирма внесли большой вклад в развитие системы армирования Монье, сделав ее хорошо развитой научной технологией. [11]
Одним из первых небоскребов, построенных из железобетона, было 16-этажное здание Ingalls Building в Цинциннати, построенное в 1904 году [9].
Первым железобетонным зданием в Южной Калифорнии была пристройка Лафлина в центре Лос-Анджелеса , построенная в 1905 году. [15] [16] В 1906 году, как сообщается, было выдано 16 разрешений на строительство железобетонных зданий в городе Лос-Анджелес, включая Храм Аудитория и 8-этажный отель Hayward. [17] [18]
В 1906 году в результате частичного обрушения отеля «Биксби» в Лонг-Бич погибли 10 рабочих во время строительства, когда опоры были сняты преждевременно. Это событие побудило к тщательному изучению методов возведения бетона и строительных инспекций. Конструкция была построена из железобетонных каркасов с полыми ребристыми полами из глиняной плитки и стенами, заполненными полой глиняной плиткой. Эта практика была подвергнута серьезному сомнению со стороны экспертов, и были даны рекомендации для строительства из «чистого» бетона с использованием железобетона для полов и стен, а также для каркасов. [19]
В апреле 1904 года, Джулия Морган , американский архитектор и инженер, который впервые эстетическое использование железобетона, завершена ее первая железобетонную конструкция, Эль Campanil, 72 футов (22 м) колокольня в колледже Миллс , [20] , который расположен через залив от Сан-Франциско . Два года спустя Эль Кампанил пережила землетрясение 1906 года в Сан-Франциско без каких-либо повреждений [21], что помогло ей укрепить репутацию и начать плодотворную карьеру. [22] Землетрясение 1906 года также изменило первоначальное сопротивление населения железобетону как строительному материалу, который подвергался критике за его кажущуюся тусклость. В 1908 г.Наблюдательный совет Сан-Франциско изменил строительные нормы и правила города, чтобы разрешить более широкое использование железобетона. [23]
В 1906 году Национальная ассоциация пользователей цемента (NACU) опубликовала Стандарт № 1 [24] , а в 1910 году - Стандартные строительные правила для использования железобетона . [25]
Из железобетона 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 .
Разработка и внедрение наиболее эффективной системы полов - ключ к созданию оптимальных строительных конструкций. Небольшие изменения в конструкции системы полов могут оказать значительное влияние на материальные затраты, график строительства, конечную прочность, эксплуатационные расходы, уровни занятости и конечное использование здания.
Без армирования строительство современных конструкций из бетонного материала было бы невозможно.
Бетон представляет собой смесь крупных (каменная или кирпичная крошка) и мелких (обычно песок и / или щебень) заполнителей с пастой связующего материала (обычно портландцемента ) и воды. Когда цемент смешивается с небольшим количеством воды, он гидратируется, образуя микроскопические непрозрачные кристаллические решетки, инкапсулирующие и запирающие заполнитель в жесткую [26] [27] 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 стойкостью к сжимающим напряжениям (около 4000 фунтов на квадратный дюйм (28 МПа)); однако любое заметное напряжение ( например, из-за изгиба) сломает микроскопическую жесткую решетку, что приведет к растрескиванию и расслоению бетона. По этой причине типичный неармированный бетон должен иметь хорошую опору, чтобы предотвратить развитие напряжения.
Если в бетон помещается материал с высокой прочностью на растяжение, такой как сталь , то композитный материал, железобетон, противостоит не только сжатию, но также изгибу и другим прямым растягивающим воздействиям. Композитный профиль, в котором бетон противостоит сжатию, а арматура « арматура » сопротивляется растяжению, может быть изготовлена практически любой формы и размера для строительной отрасли.
Особые свойства железобетона придают три физические характеристики:
Как показывает практический опыт, 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 вместе с проникновением хлоридов являются одной из основных причин разрушения арматурных стержней в бетоне.
Относительная поперечное сечение площадь стали , необходимая для типичного железобетона, как правило , весьма мала и колеблется от 1% для большинства балок и плит до 6% для некоторых столбцов. Арматурные стержни обычно имеют круглое поперечное сечение и разный диаметр. В железобетонных конструкциях иногда предусмотрены вентилируемые пустотелые профили для контроля влажности и влажности.
Распределение прочностных характеристик бетона (без армирования) по сечению вертикальных железобетонных элементов неоднородно. [28]
Армирование в железобетонной конструкции, такой как стальной стержень, должно подвергаться той же деформации или деформации, что и окружающий бетон, чтобы предотвратить разрыв, скольжение или разделение двух материалов под нагрузкой. Поддержание композитного 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. Эта передача нагрузки достигается посредством скрепления (анкеровки) и идеализирована как непрерывное поле напряжений, которое возникает вблизи поверхности раздела сталь-бетон. Причины, по которым два разных компонента материала, бетон и сталь, могут работать вместе, заключаются в следующем: (1) Арматура может быть хорошо связана с бетоном, таким образом, они могут совместно противостоять внешним нагрузкам и деформироваться.(2) Коэффициенты теплового расширения бетона и стали настолько близки (1,0 × 10-5 ~ 1,5 × 10-5 для бетона и 1,2 × 10-5 для стали), что вызванное термическим напряжением повреждение соединения между двумя компоненты можно предотвратить. (3) Бетон может защитить закладную сталь от коррозии и разупрочнения, вызванного высокой температурой.
Поскольку фактическое напряжение скрепления изменяется по длине стержня, закрепленного в зоне растяжения, действующие международные своды технических требований используют концепцию длины развертки, а не напряжения скрепления. Основным требованием для защиты от разрушения связки является обеспечение достаточного увеличения длины стержня за пределы точки, в которой сталь должна развивать свой предел текучести, и эта длина должна быть, по крайней мере, равна длине ее развития. Однако, если фактическая доступная длина недостаточна для полной разработки, необходимо предусмотреть специальные крепления, такие как зубцы, крюки или механические концевые пластины. Та же концепция применяется к длине стыка внахлест, упомянутой в нормах, где стыки (перекрытия) предусмотрены между двумя соседними стержнями, чтобы поддерживать требуемую непрерывность напряжения в зоне стыка.
Во влажном и холодном климате железобетон для дорог, мостов, парковок и других конструкций, которые могут подвергаться воздействию соли для борьбы с обледенением, может выиграть от использования коррозионно-стойкой арматуры, такой как без покрытия, с низким содержанием углерода / хрома (микрокомпозит), с эпоксидным покрытием. , горячеоцинкованная или нержавеющая стальарматура. Хороший дизайн и правильно подобранная бетонная смесь обеспечат дополнительную защиту для многих областей применения. Арматурный пруток с низким содержанием углерода и хрома без покрытия похож на стандартный арматурный пруток из углеродистой стали из-за отсутствия покрытия; его высокая устойчивость к коррозии присуща микроструктуре стали. Его можно идентифицировать по уникальной маркировке, указанной ASTM, на гладкой поверхности темного угля. Арматуру с эпоксидным покрытием легко узнать по светло-зеленому цвету ее эпоксидного покрытия. Оцинкованная горячим способом арматура может быть яркой или тускло-серой в зависимости от продолжительности воздействия, а нержавеющая арматура имеет типичный белый металлический блеск, который легко отличить от арматурного стержня из углеродистой стали. Ссылка на стандартные спецификации ASTM A1035 / A1035MСтандартные технические условия на деформированные и плоские низкоуглеродистые хромированные стальные стержни для армирования бетона, Стандартные технические условия A767 для горячеоцинкованных арматурных стержней, Стандартные технические условия A775 для стальных арматурных стержней с эпоксидным покрытием и Стандартные технические условия A955 на деформированные и плоские нержавеющие стержни для армирования бетона .
Другой, более дешевый способ защиты арматуры - покрытие ее фосфатом цинка . [29] Фосфат цинка медленно вступает в реакцию с катионами кальция и гидроксильными анионами, присутствующими в пористой воде цемента, и образует стабильный слой гидроксиапатита .
Проникающие герметики обычно необходимо наносить через некоторое время после отверждения. Герметики включают краску, пенопласт, пленки и алюминиевую фольгу , войлок или тканевые маты, запечатанные смолой, и слои бентонитовой глины, которые иногда используются для уплотнения дорожных покрытий.
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 необходимо для предотвращения коррозии арматуры. Нитрит-анион является мягким окислителем, который окисляет растворимые и подвижные ионы двухвалентного железа (Fe 2+ ), присутствующие на поверхности корродирующей стали, и вызывает их осаждение в виде нерастворимого гидроксида железа (Fe (OH) 3 ). Это вызывает пассивацию стали на аноднойсайты 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 поверхности (растягивающейся поверхности) кривизны бетон испытывает растягивающее напряжение, в то время как на внутренней стороне (сжимающая поверхность) он испытывает напряжение сжатия.
По отдельности усиленный пучок, в котором конкретный элемент только армированные вблизи поверхности на растяжение и арматуры, называется напряжение стали, предназначен , чтобы противостоять напряженности.
Двукратно усиленный луч раздел , в котором помимо растянутой арматуры элемент бетона также армированный вблизи сжимающей поверхности , чтобы помочь бетону противостоять сжатию и принять напряжения. Последняя арматура называется компрессионной сталью. Когда зона сжатия бетона недостаточна, чтобы противостоять сжимающему моменту (положительный момент), необходимо обеспечить дополнительное армирование, если архитектор ограничивает размеры секции.
Под армированных луч, в котором емкость натяжение арматуры на разрыв меньше , чем суммарная пропускная способность сжатия бетона и стали сжатия (под армированной на лицо на растяжение). Когда железобетонный элемент подвергается возрастающему изгибающему моменту, растягивающаяся сталь поддается, а бетон не достигает своего конечного состояния разрушения. По мере того как растягивающаяся сталь поддается и растягивается, «недостаточно армированный» бетон также поддается пластичному воздействию, проявляя большую деформацию и предупреждая его окончательное разрушение. В этом случае предел текучести стали определяет расчет.
Чрезмерно армированная балка - это балка, в которой растягивающая способность растягивающейся стали больше, чем комбинированная компрессионная способность бетона и компрессионной стали (излишне армированная на растянутой поверхности). Таким образом, балка «излишне армированного бетона» выходит из строя из-за раздавливания бетона в зоне сжатия и до того, как сталь в зоне растяжения уступит место, что не дает никаких предупреждений перед выходом из строя, поскольку разрушение происходит мгновенно.
Сбалансирован армированный луч, в котором оба на сжатии и на растяжении зон достигают с получением в той же наложенной нагрузке на балках, и бетон будет измельчить и растягивающие стали даст в то же самое время. Однако этот критерий проектирования так же опасен, как и чрезмерно армированный бетон, поскольку разрушение происходит внезапно, поскольку бетон разрушается одновременно с растягивающейся сталью, что дает очень слабое предупреждение о повреждении при разрушении из-за растяжения. [30]
Стальные железобетонные элементы, несущие момент, обычно должны проектироваться с недостаточным усилением, чтобы пользователи конструкции получали предупреждение о надвигающемся обрушении.
Характеристикой прочности является прочность материала , где менее 5% от образца показывает меньшую прочность.
Прочность конструкции или номинальная прочность является прочность материала, в том числе фактор материально-безопасности. Значение коэффициента запаса прочности обычно составляет от 0,75 до 0,85 в расчете на допустимое напряжение .
Предельное состояние представляет собой теоретическую точку отказа с определенной вероятностью. Это указано с учетом факторизованных нагрузок и факторизованных сопротивлений.
Железобетонные конструкции обычно проектируются в соответствии с правилами и положениями или рекомендациями кодов, таких как ACI-318, CEB, Еврокод 2 и т.п. Методы WSD, USD или LRFD используются при проектировании элементов конструкции RC. Анализ и проектирование элементов RC может быть выполнено с использованием линейных или нелинейных подходов. При применении коэффициентов безопасности строительные нормы и правила обычно предлагают линейные подходы, но в некоторых случаях нелинейные подходы. Чтобы увидеть примеры нелинейного численного моделирования и расчета, посетите ссылки: [31] [32]
Предварительное напряжение бетона - это метод, который значительно увеличивает несущую способность бетонных балок. Арматурная сталь в нижней части балки, которая будет подвергаться растягивающим усилиям при эксплуатации, подвергается растяжению перед заливкой бетона вокруг нее. Как только бетон затвердеет, напряжение в арматурной стали снимается, создавая встроенную сжимающую силу на бетон. При приложении нагрузок арматурная сталь принимает на себя большее напряжение, и сжимающая сила в бетоне уменьшается, но не становится растягивающей. Поскольку бетон всегда находится под давлением, он меньше подвержен растрескиванию и разрушению. [33]
Железобетон может выйти из строя из-за недостаточной прочности, что приведет к механическому разрушению или из-за снижения его прочности. Циклы коррозии и замораживания / оттаивания могут повредить плохо спроектированный или сконструированный железобетон. Когда арматурный стержень корродирует, продукты окисления ( ржавчина ) расширяются и имеют тенденцию расслаиваться, растрескивая бетон и отделяя арматуру от бетона. Типичные механизмы, приводящие к проблемам с долговечностью, обсуждаются ниже.
Растрескивание бетонной секции предотвратить практически невозможно; однако размер и расположение трещин можно ограничивать и контролировать с помощью соответствующей арматуры, контрольных швов, методологии отверждения и конструкции бетонной смеси. Растрескивание может позволить влаге проникнуть в арматуру и вызвать коррозию. Это нарушение работоспособности при проектировании по предельному состоянию . Растрескивание обычно является результатом недостаточного количества арматуры или слишком большого расстояния между арматурными стержнями. Затем бетон трескается либо под чрезмерной нагрузкой, либо из-за внутренних эффектов, таких как ранняя термоусадка во время затвердевания.
Окончательное разрушение, ведущее к обрушению, может быть вызвано раздавливанием бетона, которое происходит, когда сжимающие напряжения превышают его прочность, податливостью или разрушением арматуры, когда изгибные или сдвиговые напряжения превышают прочность арматуры, или нарушением связи между бетоном и арматура. [34]
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 для арматурного стержня (глубина арматурного стержня внутри объекта). Минимальный размер бетонного покрытия обычно регулируется конструктивными или строительными нормами . Если арматура расположена слишком близко к поверхности, может произойти преждевременный выход из строя из-за коррозии. Глубину бетонного покрытия можно измерить крышкой . Однако карбонизированный бетон вызывает проблемы с долговечностью только тогда, когда также имеется достаточно влаги и кислорода, чтобы вызвать электропотенциальную коррозию арматурной стали.
Один из методов тестирования структуры на карбонатацию - просверлить свежее отверстие в поверхности и затем обработать поверхность среза индикаторным раствором фенолфталеина . Этот раствор становится розовым при контакте с щелочным бетоном, что позволяет увидеть глубину карбонизации. Недостаточно использовать имеющееся отверстие, потому что открытая поверхность уже будет карбонизирована.
Хлориды могут способствовать коррозии заделанной арматуры, если присутствуют в достаточно высокой концентрации. Хлорид-анионы вызывают как локальную коррозию ( точечную коррозию ), так и общую коррозию стальной арматуры. По этой причине для смешивания бетона следует использовать только свежую сырую воду или питьевую воду, убедитесь, что крупные и мелкие заполнители не содержат хлоридов, а не примесей, которые могут содержать хлориды.
Когда-то хлорид кальция использовался в качестве добавки для быстрого схватывания бетона. Также ошибочно полагали, что это предотвратит замерзание. Однако эта практика впала в немилость, когда стало известно о пагубном воздействии хлоридов. По возможности этого следует избегать.
Использование противообледенительных солей на проезжей части, используемых для снижения точки замерзания воды, вероятно, является одной из основных причин преждевременного разрушения железобетонных или предварительно напряженных бетонных настилов мостов, проезжей части и гаражей. Использование арматурных стержней с эпоксидным покрытием и катодная защита в некоторой степени смягчили эту проблему. Также известно, что арматура FRP (армированный волокном полимер) менее восприимчива к хлоридам. Правильно разработанные бетонные смеси, которым было позволено должным образом застыть, фактически невосприимчивы к воздействию антиобледенителей.
Еще один важный источник хлорид-ионов - 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 - , SO 4 2- , HCO 3 - ) и мигрируют с водой в капилляры бетона. Хлорид-ионы, которые составляют около 50% этих ионов, особенно агрессивны как причина коррозии арматурных стержней из углеродистой стали.
В 1960-х и 1970-х годах магнезит , богатый хлоридом карбонатный минерал , был относительно обычным явлением для использования в качестве материала для полов. Это было сделано в основном как выравнивающий и звукопоглощающий слой. Однако теперь известно, что, когда эти материалы вступают в контакт с влагой, они производят слабый раствор соляной кислоты из-за присутствия хлоридов в магнезите. Со временем (обычно десятилетиями) раствор вызывает коррозию закладных арматурных стержней . Чаще всего это обнаруживалось во влажных помещениях или областях, 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 высоком pH (12,5–13,5) в щелочной воде. Растворимая диссоциированная кислоты кремниевая вступает в реакцию в поровой воде с гидроксидом кальция ( портландит ) , присутствующими в цементной пасту с образованием экспансивного силиката кальция гидрата (CSH). Вщелочно-кремнеземная реакция (ASR) вызывает локальное набухание, ответственное за растягивающее напряжение и растрескивание . Для реакции щелочного кремнезема требуются следующие условия: (1) агрегат, содержащий щелочно-реактивный компонент (аморфный кремнезем), (2) достаточное наличие гидроксильных ионов (ОН - ) и (3) достаточная влажность, относительная влажность выше 75%. (RH) в бетоне. [35] [36] Это явление иногда называют « конкретным раком ». Эта реакция происходит независимо от наличия арматуры; могут быть затронуты массивные бетонные конструкции, такие как плотины .
Устойчивый к воздействию слабых кислот и особенно сульфатов, этот цемент быстро затвердевает и обладает очень высокой прочностью и прочностью. Его часто использовали после Второй мировой войны для изготовления сборных железобетонных изделий. Однако он может потерять прочность при нагревании или со временем (преобразование), особенно если он не затвердеет должным образом. После обрушения трех крыш, сделанных из предварительно напряженных бетонных балок с использованием высокоглиноземистого цемента, этот цемент был запрещен в Великобритании в 1976 году. Последующие расследования этого вопроса показали, что балки были изготовлены ненадлежащим образом, но запрет остался. [37]
Сульфаты (SO 4 ) в почве или грунтовых водах в достаточной концентрации могут реагировать с портландцементом в бетоне, вызывая образование продуктов расширения, например эттрингита или таумазита., что может привести к преждевременному выходу конструкции из строя. Наиболее типичное поражение этого типа - бетонные плиты и фундаментные стены на тех уровнях, где концентрация сульфат-иона может увеличиваться в результате попеременного смачивания и высыхания. По мере увеличения концентрации может начаться атака на портландцемент. Для заглубленных конструкций, таких как трубы, этот тип атак встречается гораздо реже, особенно на востоке США. Концентрация сульфат-иона увеличивается в массе почвы намного медленнее и особенно зависит от исходного количества сульфатов в естественной почве. Химический анализ грунтовых скважин для проверки наличия сульфатов следует проводить на этапе проектирования любого проекта, в котором бетон контактирует с естественной почвой. Если концентрация окажется агрессивной, можно нанести различные защитные покрытия. Также,в США в смеси может использоваться портландцемент ASTM C150 Тип 5. Этот тип цемента особенно устойчив к сульфатному воздействию.
В конструкции из стальных пластин стрингеры соединяют параллельные стальные пластины. Узлы пластин изготавливаются на месте и свариваются на месте для образования стальных стен, соединенных стрингерами. Стены становятся той формой, в которую заливается бетон. Конструкция из стальных листов ускоряет строительство железобетона, сокращая трудоемкие ручные операции на месте по связыванию арматуры и строительных опалубок. Этот метод обеспечивает отличную прочность, потому что сталь находится снаружи, где растягивающие усилия часто являются наибольшими.
Фиброармирование в основном используется в торкретбетоне , но может применяться и в обычном бетоне. Нормальный бетон, армированный волокнами, в основном используется для наземных полов и тротуаров, но также может применяться для широкого спектра строительных деталей (балок, столбов, фундаментов и т. Д.), Как отдельно, так и с арматурными стержнями, связанными вручную.
Бетон, армированный волокнами (которые обычно представляют собой стальные, стеклянные , пластиковые волокна ) или целлюлозно-полимерными волокнами, дешевле, чем арматура, связанная вручную. [ необходима цитата ]Форма, размер и длина волокна важны. Тонкое и короткое волокно, например, короткое стекловолокно в форме волоса, эффективно только в течение первых часов после заливки бетона (его функция заключается в уменьшении растрескивания при застывании бетона), но оно не увеличивает прочность бетона на растяжение. . Фибра нормального размера для европейского торкретбетона (диаметр 1 мм, длина 45 мм - стальная или пластиковая) увеличит прочность бетона на растяжение. Волоконная арматура чаще всего используется для дополнения или частичной замены первичной арматуры, а в некоторых случаях может быть разработана для полной замены арматуры. [38]
Сталь является самым прочным из доступных волокон [ необходима цитата ], она бывает разной длины (от 30 до 80 мм в Европе) и формы (концевые крючки). Стальные волокна можно использовать только на поверхностях, которые могут выдерживать коррозию и пятна ржавчины или избегать их. В некоторых случаях поверхность стальной фибры облицовывают другими материалами.
Стекловолокно недорогое и устойчивое 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 недостаточно устойчиво к щелочной среде портландцемента , чтобы его можно было использовать в качестве прямого армирования. В новых материалах используются пластиковые связующие, чтобы изолировать базальтовое волокно от цемента.
Волокна премиум-класса - это армированные графитом пластиковые волокна, которые почти так же прочны, как сталь, легче по весу и устойчивы к коррозии. [ необходима цитата ] Некоторые эксперименты с углеродными нанотрубками дали многообещающие первые результаты , но этот материал по-прежнему слишком дорог для любого здания. [ необходима цитата ]
Имеется значительное перекрытие между предметами не стальной арматуры и армирования бетона фиброй. Внедрение нестальной арматуры в бетоне произошло сравнительно недавно; он принимает две основные формы: неметаллические стержни арматуры и неметаллические (обычно также неметаллические) волокна, включенные в цементную матрицу. Например, растет интерес к бетону, армированному стекловолокном (GFRC).и в различных применениях полимерных волокон, включенных в бетон. Хотя в настоящее время не так много предложений о том, что такие материалы заменят металлическую арматуру, некоторые из них имеют серьезные преимущества в конкретных приложениях, а также есть новые приложения, в которых металлическая арматура просто не подходит. Однако разработка и применение арматуры, не связанной с использованием стали, сопряжены с проблемами. Во-первых, бетон - это сильно щелочная среда, 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. [39] [40]
Армированный волокном пластик / полимер (FRP) и армированный стекловолокном пластик (GRP) состоят из волокон полимера , стекла, углерода, арамида или других полимеров или высокопрочных волокон, заключенных в матрицу из смолы для образования стержня арматуры или сетки, или волокна. Эти арматурные стержни устанавливаются почти так же, как стальные стержни. Стоимость выше, но при подходящем применении конструкции имеют преимущества, в частности резкое снижение проблем, связанных с коррозией , либо из-за собственной щелочности бетона, либо из-за внешних коррозионных жидкостей, которые могут проникать в бетон. Эти конструкции могут быть значительно легче и обычно имеют более длительный срок службы.. Стоимость этих материалов резко упала с момента их широкого применения в аэрокосмической промышленности и в вооруженных силах.
В частности, стержни из стеклопластика полезны для конструкций, в которых присутствие стали недопустимо. Например, аппараты МРТ имеют огромные магниты и, соответственно, требуют немагнитных зданий. Опять же, для пунктов взимания платы , считывающих радиометки, необходим железобетон, прозрачный для радиоволн . Кроме того, там, где расчетный срок службы бетонной конструкции более важен, чем ее первоначальные затраты, армирование не из стали часто имеет свои преимущества, когда коррозия арматурной стали является основной причиной разрушения. В таких ситуациях нержавеющая 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 повреждена в будущем, например, края балконов при замене балюстрад , а также полы в ванных комнатах в многоэтажном строительстве, где срок службы конструкции пола может во много раз превышать срок службы гидроизоляционной строительной мембраны.
Пластиковая арматура часто прочнее или, по крайней мере, имеет лучшее отношение прочности к весу, 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 или более). Поэтому конструкции, армированные стекловолокном, могут быть легче и дольше служить. Соответственно, для некоторых применений стоимость всего срока службы будет конкурентоспособной по цене с железобетоном.
Эти свойства материала из FRP или GRP стержней заметно отличаются от стали, поэтому существует различие в конструктивных соображениях. Прутки из стеклопластика или стеклопластика имеют относительно более высокий предел прочности на разрыв, но меньшую жесткость, поэтому прогиб , вероятно, будет выше, чем у аналогичных элементов, армированных сталью. Конструкции с внутренним армированием из стеклопластика обычно обладают упругой деформируемостью.сопоставима с пластической деформируемостью (пластичностью) стальных армированных конструкций. Разрушение в любом случае более вероятно из-за сжатия бетона, чем из-за разрыва арматуры. Прогиб всегда является важным фактором при проектировании железобетона. Пределы прогиба устанавливаются для обеспечения контроля ширины трещин в железобетоне для предотвращения попадания воды, воздуха или других агрессивных веществ в сталь и возникновения коррозии. Для бетона, армированного стеклопластиком, эстетика и, возможно, водонепроницаемость будут ограничивающими критериями для контроля ширины трещин. Стержни из стеклопластика также имеют относительно более низкую прочность на сжатие, чем стальная арматура, и, соответственно, требуют различных подходов к проектированию железобетонных колонн .
Одним из недостатков использования арматуры FRP является их ограниченная огнестойкость. В тех случаях, когда важна пожарная безопасность, конструкции из стеклопластика должны сохранять свою прочность и устойчивость сил при температурах, ожидаемых в случае пожара. В целях обеспечения огнезащиты необходима соответствующая толщина цементно-бетонного покрытия или защитной облицовки. Было показано, что добавление 1 кг / м 3 полипропиленовых волокон к бетону снижает растрескивание во время имитации пожара. [41] (Считается, что это улучшение связано с образованием проходов из массы бетона, позволяющих рассеивать давление пара. [41] )
Еще одна проблема - эффективность сдвиговой арматуры. Хомуты арматурного стержня из стеклопластика, сформированные путем изгиба перед закалкой, обычно работают относительно плохо по сравнению со стальными хомутами или конструкциями с прямыми волокнами. При деформации зона между прямыми и криволинейными участками испытывает сильные изгибные, сдвиговые и продольные напряжения. Чтобы справиться с такими проблемами, необходимы специальные конструкторские приемы.
Растет интерес к применению внешнего армирования существующих конструкций с использованием современных материалов, таких как композитная (стекловолокно, базальт, углерод) арматура, которая может обеспечить исключительную прочность. Во всем мире существует ряд марок композитной арматуры, признанных в разных странах, например Aslan, DACOT, V-rod и ComBar. Количество проектов с использованием композитной арматуры увеличивается день ото дня во всем мире, в странах от США, России и Южной Кореи до Германии.
Морган изучал материал в Париже, где некоторые из его пионеров, Франсуа Хеннебик и Огюст Перре, изучали его непромышленное использование. Очарованная сочетанием устойчивости и пластичности, она, возможно, была первым архитектором в США, применившим его не к мостам или опорам, а к чему-то другому.