Если в симметрично армированном элементе положить деформацию от усадки свободного бетона равной Бус (рис- 1.20), то деформация железобетона ва будет меньше на значение деформации растяжения бетона Ебр; таким образом,

бус = 8а -- Ебр.

Кроме того, усилие в бетоне равно усилию матуре:

(1.24) в ар-

откуда

(1.25)

(1.26)

где H=Fa/fe - коэффициент армирования, равный отношению площадей сечений арматуры и бетона; Сб - среднее растягивающее напряжение в бетоне.

Принимая во внимание, что по закону Гука для арматуры 0а = £аеа, а ПО фОрМуЛЗМ (1.11), (1.14) 06 =

=г£беб.р, получим, используя выражение (1.24):

бус Иа

Об =

откуда

(1.27)

(1.28)

где п=£а/£б отношение модулей упругости арматуры и бетона, которое принимается постоянным для всего времени усадки.

Если задаться деформацией усадки вус, значением V и положить 0б=7?р, то из выражения (1.28) можно найти коэффициент армирования, при котором появляются трещины. Обычно еус принимают наибольшей и постоянной для всех марок бетона - 30-10-, v также независимо от марки принимается равной 0,5. Вычислент ные при этих значениях коэффициенты армирования получаются высокими, например для бетона марки 200 ц=0,041; для марки 300 ц=0,058 и т.д.

Усадочные напряжения могут вызвать образование трещин в бетоне железобетонных элементов. В связи с этим при проектировании конструкций большой протяженности следует предусматривать усадочные швы,

Аналогичное воздействие на конструкцию оказывают и температурные деформации, возникающие при изменениях температуры среды. Поэтому температурные и усадочные деформационные швы обычно совмещают и называют температурно-усадочными швами. Однако в стадии разрушения элемента, когда бетон растянутой зоны испещрен трещинами, влияние начальных (собственных) усадочных напряжений на предельную прочность внешне статически определимого элемента практически исчезает.

В железобетонном элементе при длительном действии нагрузки в результате ползучести бетона происходит перераспределение усилий между бетоном и арматурой. Например, в сжатом симметрично армированном элементе вследствие ползучести бетона напряжения в арматуре увеличиваются, а в бетоне уменьшаются. В результате напряжения в арматуре могут достигнуть значений, близких к пределу текучести.

В ранний период применения железобетонных конструкций влияние усадки и ползучести при проектировании не учитывалось. Однако по мере накопления знаний выяснилось существенное их значение для работы железобетона, и в настоящее время учет усадки и ползучести осуществляется на разных этапах проектирования.

Наиболее полно это учитывают при расчете предварительно-напряженных конструкций, эффективность которых в значительной степени зависит от деформаций усадки и ползучести.

Коррозия железобетона определяется коррозией бетона, а при некоторых условиях и коррозией арматуры, которая может развиваться под действием жидких и газообразных агрессивных веществ, а также воды, фильтрующейся через поры и трещины бетона- Коррозия стали сопровождается увеличением ее объема в сравнении с первоначальным, что вызывает откалывание защитного слоя бетона.

Различают три вида коррозии бетона (поВ.М.Москвину).

К первой группе относятся процессы, возникающие при действии воды с малой жесткостью, когда в воде, фильтрующейся через бетон, происходит прямое растворение составных частей цементного камня, в первую очередь гидрата окиси кальция.

Процессы второй группы обусловлены действием растворенных в воде или в воздухе химических веществ, которые вступают в обменные реакции с составляющими цементного камня. Продукты таких химических реакций либо остаются на месте в виде аморфной массы, либо в растворенном виде уносятся водой-

К третьей группе относятся процессы, связанные с образованием и накоплением в порах и капиллярах нерастворимых солей. Их кристаллизация вызывает возникновение значительных усилий в цементном камне, что приводит к разрушению бетона.

В реальных условиях обычно наблюдается коррозия всех трех видов, иногда с преобладанием какого-либо из них.

Наиболее вредны для бетона соли ряда кислот, особенно серной кислоты, так как они образуют в цементе сульфат кальция и алюминия. В частности, сульфато-алю-минат кальция - «цементная бацилла», легко растворяясь, увеличивается в объеме в 2,5 раза и вытекает в виде белой слизи, образующей подтеки на поверхности бетона.

Очень агрессивны воды, содержащие сернокислый кальций; к ним относятся и грунтовые воды, в которых есть такие отходы производства, как гипс, шлак и т. п.

Из кислот наиболее опасны соляная и азотная; несколы?о более замедленное, но также разрушающее действие оказывают серная и сернистая кислоты.

Натриевые и калийные щелочи менее вредны для бетонов вследствие их медленного действия.

Морская вода при систематическом воздействии оказывает вредное влияние на бетон, поскольку содержит сульфат магнезии, хлористую магнезию и другие вредные соли.

Наиболее простой и действенной мерой предохранения бетона от влияния агрессивной среды является увеличение плотности. Плотность бетона достигается подбором зернового состава заполнителей, понижением водоцементного отношения и тщательным уплотнением при укладке- Повышению плотности способствуют добавки трасса, шлаковой или каменной муки до 20-30% массы цемента.

При наличии агрессивных сред и повышенной влажности толщина защитного слоя бетона для стальной арматуры должна быть увеличена, а закладные детали

должны быть снабжены специальными антикоррозионными покрытиями.

Сопротивление железобетона воздействию высоких температур зависит от температуры нагрева и длительности его действия.

Кратковременное воздействие на конструкцию высоких температур или огня возникает, например, при пожарах.

Огнестойкость железобетонного элемента оценивается пределом огнестойкости (в часах), т.е. временем, по истечении которого при пожаре наступают потеря несущей способности элемента, образование трещин, через которые огонь способен проникать в соседние помещения, или нагрев до 150° С необращенной к огню поверхности. Предел огнестойкости железобетонных элементов зависит от размеров сечения, конструктивной схемы элемента, вида арматуры, способа армирования и особенно от толщины защитного слоя. Железобетон относится к огнестойким материалам, способным противостоять при пожаре высоким температурам в течение нескольких часов без существенной потери прочности.

В сооружениях при длительно действующих высоких температурах (фундаменты доменных печей, борова, дымовые трубы и т. д.) к железобетонным конструкциям предъявляют требования жаростойкости- В этом случае либо применяют специальную изоляцию конструкций (футеровку), либо, что более экономично и надежно, железобетонные конструкции изготовляют из жаростойкого бетона.

При воздействии на железобетонные конструкции высоких температур толщину защитного слоя бетона увеличивают и назначают с учетом специальных нормативных требований.

Плотность (объемная масса) железобетона складывается из массы бетона и массы арматуры. Объемная масса железобетона на особо тяжелом бетоне принимается более 2500 кг/м; объемная масса железобетона на тяжелом бетоне при укладке бетонной смеси с вибрированием принимается 2500 кг/м без вибрирования- 2400 кг/м. Объемная масса железобетона из бетона на пористых заполнителях (облегченный бетон) принимается от 1800 до 2200 кг/м. Объемная масса железобетона на легком бетоне принимается от 500 до 1800 кг/м включительно.

При значительном содержании арматуры (свыше 3%) объемную массу железобетона подсчитывают как сумму масс бетона и арматуры, приходяшихся на единицу объема конструкции.

Защитный слой бетона. Толщина защитного слоя бетона для рабочей арматуры должна обеспечивать совместную работу арматуры с бетоном на всех стадиях изготовления, монтажа и эксплуатации конструкции, а также защиту арматуры от внешних атмосферных, температурных и тому подобных воздействий.

Для продольной рабочей арматуры толщина защитного слоя бетона должна быть, как правило, не менее диаметра стержня и не менее следующих размеров, мм:

в плитах и стенках толщиной до 100 мм включительно нз тяжелого бетона.................. О

в однослойных конструкциях из бетонов на пористых заполнителях марок 100 и ниже, выполненных без фактурных слоев 20

то же, для наружных стеновых панелей........ 25

в однослойных конструкциях из ячеистых бетонов .... 25 в плитах и стенках толщиной более 100 мм, а также в балках

и ребрах высотой менее 250 мм........... 15

в балках и ребрах высотой 250 мм и более, а также в колоннах 20

в фундаментных балках и сборных фундаментах..... 30

для нижней арматуры монолитных фундаментов при наличии

бетонной подготовки ................ 35

то же, при отсутствии бетонной подготовки....... 70

Для поперечной, распределительной и конструктивной арматуры толщина защитного слоя бетона должна приниматься не менее диаметра этой арматуры и не менее следующих размеров, мм:

при высоте сечения элемента менее 250 мм....... 10

» » » » равной 250 мм и более ... 15

в элементах из бетона на пористых заполнителях марок 100 и ниже из ячеистых бетонов, независимо от их высоты ... 15

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Структура и виды бетона.

2. Как влияют форма и размеры образцов на прочность бетона?

3. Какие факторы влияют на механические свойства бетона?

4. Что такое марка бетона и какие марки бетона установлены нормами?

5. Назовите основные виды деформаций.

6. Какова деформация бетона при длительных нагрузках?

7. Какова деформация бетона от усадки?

8. Что такое модуль деформации бетона?

9. Механические свойства и виды стальной арматуры.

10. Марки и классы арматурной стали. П. Модуль упругости арматурной стали.

12. Сведения о неметаллической арматуре.

13. Влияние арматуры на усадку и ползучесть бетона.

14. Виды коррозии железобетона.

15. Плотность (объемная масса) железобетона,

16. Толщина защитного слоя бетона.

Глава 2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

I 1. О ТЕОРИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Веток - это упругопластический материал, не обла-лакнцпп линейной заиисцмостью между напряжениями н дефо)мацпямн. Армирование не устраняет этой особенности работы бетона под нагрузкой. Поэтому теория сопротивления упругих материалов для железобетона непригодна. Упругопластические свойства бетона и железобетона - ползучесть, усадка, образование трещин в растянутой зоне железобетонных элементов - существенно влияют на напряженно-деформированное состояние железобетонных конструкций. Эти свойства в значительной степени зависят от вида бетона и арматуры, характера армирования, вида деформаций, возраста бетона, длительности действия нагрузки и др. Отсюда становится понятным сложность проблемы создания строгой теории сопротивления железобетона.

В СССР на основе множества экспериментальных исследований изучены важнейшие вопросы теории сопротивления железобетона и разработан метод расчета железобетонных элементов по расчетным предельным состояниям, создана теория жесткости и трещиностойкости железобетона.

Все вопросы, связанные с сопротивлением железобетона, могут быть решены только на основе опытных данных, поэтому значение экспериментальных исследований в создании теории железобетона имеет исключительное значение.

Конструкцию рассчитывают для того, чтобы гарантировать ей необходимые эксплуатационные качества при наиболее экономичных размерах элементов.

Чтобы рассчитать и сконструировать железобетонную конструкцию, необходимо прежде всего найти действующие на нее нагрузки и определить внутренние усилия в характерных сечениях всех элементов, из которых эта конструкция состоит. Накопление эксперименталь-