Армирование ЖБИ

Железобетон – одна из самых распространенных строительных композиций в мире. Однако сам по себе бетон гораздо более хрупкий, и обособленно от армирующей фибры или арматуры вряд ли полезен в каких-либо областях, кроме очень немногих ограниченных. Однако при армировании сталью бетон можно использовать для изготовления перекрытий, стен, балок, колонн, фундаментов, рам и многого другого.

армированный-бетон

Бетон устойчив только к силам сжатия и обладает низкой прочностью на растяжение и пластичностью. Армирующие материалы необходимы для того, чтобы выдерживать усилия сдвига и растяжения, действующие на бетон. Сталь используется потому, что она имеет хорошую адгезию бетоном и расширяется и сжимается под воздействием температуры с одинаковой скоростью.

Если Вы изучите подробно то, как сталь и бетон ведут себя по отдельности, вы легко убедитесь, что их свойства дополняют друг друга таким образом, что делают их уникально подходящими для совместного использования. Их объединенные свойства выгодны тем, что делают железобетон уникальным строительным материалом, позволяющим создавать монументальные и гигантские строительные конструкции.

Обязательно ли бетон армировать сталью?

Бетон выглядит чрезвычайно прочным. По сути, это камень, который Вы создаете из сухой порошкообразной смеси. В некоторых смыслах бетон действительно очень прочен, но только в том случае, если давление прикладывается в одном определенном направлении. Когда усилие прикладывается в любом другом направлении, как это чаще всего бывает в большинстве строительных применений, бетон становится удивительно хрупким.

Арматура стальная для армирования ЖБИ

Существует три основных типа стресса:

  1. Сжатие (сближение),
  2. Натяжение (растягивание в стороны)
  3. Сдвиг (скольжение по линии или плоскости).

Бетон устойчив к нагрузкам или сжатию, но слаб к усилиям растяжения и сдвига. Сталь, с другой стороны, устойчива ко всем трем типам нагрузок.

Сжатие

Бетон устойчив к силам сжатия. Вот почему это такая мощная база. Даже в древние времена римские строители могли использовать ранние формы бетона (который никак не армировался) для таких сооружений, как купола, акведуки, арены и колизеи.

Во всех этих ранних примерах бетон использовался только таким образом, чтобы использовать преимущества прочности бетона по отношению к силам сжатия. Вес конструкции давил только на бетон, который скреплял бетон вместе и который бетон мог легко поддерживать.

Тот факт, что древнеримские сооружения, такие как Колизей и Парфенон, простояли тысячи лет, является свидетельством того, что бетон имеет высокую прочность на сжатие..

Растяжение

Растяжение фактически противоположно сжатию в том смысле, что это сила, которая растягивает объект на части. Бетон слаб по отношению к растягивающим силам, что означает, что он обладает низкой прочностью на растяжение.

Может быть не сразу очевидно, почему это является проблемой при использовании бетона в качестве строительного материала. По-видимому, это указывает только на то, что бетон не следует использовать в качестве условной веревки. Однако, если вы посмотрите на внутренние напряжения в бетоне, вы увидите, что при сжатии часто возникает и растяжение.

Представьте себе горизонтальную бетонную балку, на которую сверху оказывается давление. Это было бы похоже на ходьбу по бетонному этажу 2-го этажа здания. На верхней части бетонной балки действует сила сжатия, поскольку бетон спрессован вместе. Однако внизу, когда балка изгибается, бетон раздвигается под действием силы натяжения. Вот где обычный бетон терпит неудачу.

Сдвиг

Бетон также слаб по отношению к сдвигающим силам, которые заставляют материал перемещаться по линии или плоскости. Неармированная бетонная стена разрушилась бы, если бы на нее воздействовало слишком большое усилие сдвига от:

  • Ветровых нагрузок
  • Сейсмической активности

Напряжение сдвига

Как мы можем видеть, обычный бетон полезен, только если вы прикладываете вес непосредственно к нему, например, к основанию статуи вертикально вниз, строго в векторе силы перпендикулярном основанию. Современные здания, однако, должны выдерживать давление от многих типов источников и во всех типах направлений. Без армирования обычный бетон в этих условиях просто не выдержит.

Типы разрушения бетона

Когда обычный бетон разрушается, это происходит внезапно. Бетон может длительное время стоять без повреждения, а в следующий момент, когда усилие превышает то, которое может выдержать бетон, он крошится или разбивается на куски.

Основным недостатком этого типа разрушения является отсутствие визуальных предупреждающих знаков. Если вы не знаете удельную прочность материала и активно не измеряете величину приложенного к материалу напряжения (условия, которые абсолютно невыполнимы за пределами лабораторных условий), невозможно предсказать разрушение.

С другой стороны, железобетон подвержен разрушению в режиме пластичности. Этот означает, что трещины начинают образовываться до того, как бетон полностью разрушится. Это происходит потому, что, хотя бетон был растянут дальше, чем он может выдержать сам по себе, стальная арматура все еще удерживает конструкцию вместе.

Если конструкция подвержена только сжимающим силам (например, плита перекрытия), эти трещины могут не представлять большой проблемы. Если только вода не проникнет в трещину и не подорвет конструкцию, вызвав ржавление арматуры или расширение трещины при замерзании, трещины будут просто спрессованы друг с другом путем дальнейшего сжатия. В других ситуациях трещины указывают на необходимость ремонта участка.

Арматура

Почему используется сталь

Как мы узнали, обычный бетон полезен только в очень ограниченных областях применения, поскольку он устойчив к силам сжатия, но слаб к силам растяжения и сдвига. Чтобы бетон был таким же универсальным, каким он является на самом деле, его необходимо укрепить с помощью какого-то материала, который преодолевает эти недостатки. Сталь используется для усиления бетона чаще, чем любой другой материал.

Причина, по которой сталь используется для армирования бетона, заключается в том, что сталь обладает рядом свойств, которые делают ее особенно подходящей для этого применения.

Сталь обладает высокой пластичностью

Пластичность – это показатель того, какой деформации может подвергнуться материал перед разрушением. Бетон обладает очень низкой пластичностью. Если вы будете крутить кусок бетона с достаточной силой, он рассыплется у вас в руках. Дерево, например, несколько пластично, в том смысле, что вы можете немного согнуть его, прежде чем оно сломается. Однако сталь обладает высокой пластичностью. Если вы согнете стальную арматуру, она просто останется согнутой. Пластичность стали полезна перед заливкой цемента, поскольку ее можно согнуть в любую форму, которая наилучшим образом поддержит форму, подлежащую заливке. Благодаря этому легко создать сетку из армирующей стальной арматуры любой формы, необходимой для проектирования здания.

Пластичность стали также полезна, когда она входит в состав железобетона. Когда к конструкции прикладывается достаточное усилие, чтобы деформировать ее, бетон может треснуть, но стальная арматура сохранит неповрежденную, но деформированную форму. Часто сталь способна поддерживать конструкцию до тех пор, пока ее нельзя будет отремонтировать или заменить, не смотря на имеющиеся деформации.

Арматура ГОСТ 5781-82

Бетон и сталь имеют схожие коэффициенты теплового расширения

Когда твердые вещества нагреваются, молекулы внутри материалов движутся быстрее. Эти более активные атомы занимают тем больше места, чем быстрее они движутся, поэтому каждая молекула, а следовательно, и материал в целом, расширяется. Обратное происходит, когда твердое вещество охлаждается. Конечным результатом является то, что твердые частицы расширяются при нагревании и уменьшаются в размерах при охлаждении.

Хотя это универсально верно для твердых тел, это происходит с разной скоростью для разных материалов. По чрезвычайно случайному совпадению сталь и бетон имеют очень схожие коэффициенты теплового расширения. Это означает то, что когда они подвергаются воздействию тепла (или холода), они расширяются (или сжимаются) практически с одинаковой скоростью.

Сталь подвергается той же деформации, что и бетон

Связь между бетоном и сталью настолько прочна, что железобетон действует как новый, более прочный материал, чем просто комбинация бетона и стали. Это еще больше усиливается за счет создания арматуры с большим количеством выступов, вокруг которых цемент будет застывать по мере высыхания.

Другие причины, по которым используется сталь, включают:

  1. Простота сварки
  2. Легкая переработка
  3. Низкая стоимость
Сварка-арматуры

Сталь легко сваривается

Поскольку железобетон используется в очень многих ситуациях, часто перед заливкой цемента необходимо соорудить довольно сложные внутренние каркасы из стальной арматуры. Даже если форма не уникальна, размер проекта может потребовать, чтобы арматура имела длину, намного превышающую допустимую для изготовления.

В этих сценариях стальная арматура может быть приварена таким образом, чтобы опора надежно располагалась там, где это необходимо. Сталь является одним из наиболее часто свариваемых металлов, поскольку она является легкоплавким и, соответственно, легкосвариваемым материалом. Процесс сварки стальной арматуры, армирующей тело бетонной конструкции также не оказывает никакого негативного влияния на свойства, которые делают его таким хорошим выбором для армирования бетона.

Сталь легко перерабатывается

Железобетон рассчитан на долгие годы, что делает его отличным строительным материалом для конструкций, которые рассчитаны на длительный срок службы. Однако, когда придет время для демонтажа, ЖБИ конструкцию можно  легко утилизировать.

При наличии надлежащего оборудования легко измельчить ЖБИ конструкцию чтобы отделить бетон от арматуры. Бетон может быть дополнительно измельчен и повторно использован в составе смеси крупных и мелкодисперсных заполнителей, которые составляют от 60 до 75 процентов цементной смеси. Сталь может быть переплавлена и преобразована в новую стальную арматуру для усиления следующего проекта.

Сталь дешева и высокодоступна

Довольно удачно, что металл, обладающий таким количеством полезных свойств для армирования бетона, также недорог и доступен в большом количестве. Если бы это было золото или бриллианты, которые обладали всеми этими совместимыми функциями, это, вероятно, было бы не так полезно. Сталь, однако, легко доступна по относительно низкой цене.

Базальтопластиковая арматура

Предварительно напряженный и постнапряженный бетон

Каким бы прочным ни был железобетон, он все равно может треснуть. Хотя этот пластичный способ разрушения не приводит сразу к разрушению конструкции (как это произошло бы при хрупком способе разрушения), это первая фаза разрушительного процесса, известного как “откол”.

Когда вода просачивается в трещины в железобетоне, это может повредить структурную целостность здания тремя способами.

  1. Поскольку жидкость может заполнить любое пространство, воде легко просачиваться и заполнять любые трещины в железобетоне. Если температура затем опустится ниже 0 градусов по Цельсию, она замерзнет.

Когда вода замерзает, она делает это, образуя структуру из взаимосвязанных кристаллов льда. Эти кристаллы льда занимают больше места, чем молекулы жидкой воды, что означает этот лед занимает больше места, чем вода. Это означает, что при замерзании вода давит на бетон и расширяет трещины еще шире. Когда лед затем тает, трещина становится шире, позволяя большему количеству воды заполнить щель, которая затем замерзает и расширяется еще больше. Этот цикл не только физически раздвигает бетон, но и позволяет все большему количеству воды проникать в конструкцию, увеличивая количество повреждений, вызванных двумя другими формами механического воздействия.

  1. В конечном итоге, трещины станут достаточно широкими и глубокими, чтобы вода и воздух могли проникать дотянитесь до стальной арматуры, вмурованной в железобетон. Такое воздействие может привести к коррозии арматуры. В присутствии воды кислород из воздуха взаимодействует с железом в стали, образуя ржавчину. Отслаивающееся покрытие на поверхности ржавеющей арматуры никак не защищает внутренние слои железа от процесса коррозии (подобно тому, как образование слоя патины предотвращает дальнейшую коррозию медных поверхностей), поэтому арматура может постоянно разрушаться до тех пор, пока она больше не сможет выдерживать механического воздействия сил, действующих на неё. Явным признаком того, что происходит коррозия такого типа, является появление на бетоне коричневых пятен. Этот цвет возникает из-за частиц ржавчины, которые окрашивают воду в коричневый цвет и стекают через трещины в железобетоне.
  2. Когда вода проникает в железобетон, она может изменить рН -баланс окружающей среды и вызвать химические реакции внутри бетона. Этот риск усиливается тем фактом, что на дорожных покрытиях и мостах использование соли для удаления льда с дорог зимой означает, что просачивающаяся вода, скорее всего, будет сильно щелочной.

Эти щелочи в воде могут вступать в реакцию с кремнеземом, содержащимся в заполнителях бетона, вызывая образование новых кристаллов. Эти новые кристаллы занимают место и физически раздвигают железобетон таким же образом, как это делал замерзающий лед. Разница в том, что кристаллы не плавятся, поэтому бетон непрерывно раздвигается.

Очевидно, что было бы лучше, если бы железобетону не позволяли трескаться. Однако, поскольку сталь настолько пластична, она будет растягиваться или изгибаться, что приведет к растрескиванию окружающего бетона. Это, конечно, до тех пор, пока не будет сделано что-то, чтобы предотвратить такое поведение арматурного армирующего каркаса.

Преднапряженный-бетон

Предварительно напряженный бетон

Чтобы предотвратить растрескивание, стальную арматуру можно растянуть перед заливкой цемента. Это известно как предварительное напряжение (или преднатяжение), поскольку оно придает стали силу натяжения перед формированием железобетона. Таким образом, сталь находится в постоянном состоянии возврата к своей естественной форме, втягивая окружающий бетон внутрь, создавая силу сжатия. Поддержание бетона в таком предварительно напряженном состоянии фактически делает его прочнее , потому что бетон устойчив к сжимающим силам. Это что-то вроде мышцы, которая становится сильнее, когда натянута.

При предварительном напряжении железобетона материал становится прочнее двумя способами.

  1. Вероятность образования трещин снижается. Поскольку сталь уже стягивает бетон воедино, ей не разрешается растягиваться так сильно, как это было бы, если бы сталь не были предварительно напряжены.
  2. Все образующиеся трещины непрерывно закрываются усилием стали, пытающейся вернуться в свое расслабленное состояние. Это ограничивает количество воды, которая может проникать в железобетон и вызывать коррозию.

Стеклопластиковая арматура

Постнапряженный бетон

Того же эффекта можно достичь, затянув сталь после того, как бетон затвердеет начал твердеть. Кажется, что бетон затвердевает за считанные часы, но на самом деле для правильного отверждения требуется около месяца, и он продолжает затвердевать и укрепляться по крайней мере в течение пяти лет после заливки.

Мало того, что предварительно напряженный и постнапряженный бетон приводит к меньшему образованию трещин, он на самом деле настолько прочнее обычного железобетона, что меньшие и более тонкие участки предварительно напряженного или постнапряженного бетона могут выдерживать те же нагрузка в виде ненапряженного железобетона.

Почему Бы просто не использовать Сталь?

Когда вы познакомитесь со спецификой того, как работает железобетон, вы можете начать интересно, зачем мы вообще утруждаем себя использованием бетона в этом процессе?

В конце концов, бетон устойчив только к силам сжатия, в то время как сталь устойчива к:

  • Сжатию
  • Растяжению
  • Сдвиг

На самом деле, сталь в 100-140 раз прочнее бетона, когда дело доходит до прочности на растяжение.

Обычный бетон сам по себе не очень полезен. Только железобетон, и предпочтительно предварительно напряженный (или постнапряженный) бетон, является тем чудесным строительным материалом, о котором мы думаем, когда представляем современную архитектуру.

Поскольку бетон является на самом деле относительно бесполезен без стальной арматуры, тогда почему бы просто не построить из стали?

Бетон обладает многими преимуществами в строительстве, которые делают его лучшим строительным материалом, чем обычная сталь.

  1. Коррозия
  2. Вес
  3. Стоимость

Коррозия

Как мы видели, когда сталь подвергается воздействию воздуха и влаги, она ржавеет. Хотя существуют методы лечения, предотвращающие это окисление, они требуют гораздо большего ухода чем это возможно. Например, стальную арматуру часто обрабатывают перед заливкой цемента, чтобы защитить ее от непогоды, даже несмотря на то, что вскоре она будет заключена в бетон. Тем не менее, как мы видели, он все еще может заржаветь.

Бетон, с другой стороны, довольно устойчив к коррозии. Сначала должны образоваться трещины, и часто требуется несколько лет просачивания воды, замерзания и повторного замораживания, (циклов морозостойкости) чтобы нарушить структурную целостность железобетона. При условии проведения регулярных осмотров это дает достаточно времени для ремонта или замены участка, подверженного коррозии.

Вес

Сталь очень тяжелая, и ее необходимо будет транспортировать на строительную площадку в полном объеме. Бетон, с другой стороны, примерно на треть плотнее стали и может транспортироваться в гораздо более легких композитных деталях.

Преимущества этого двоякие. Первое преимущество — это транспорт. Сталь должна была бы быть доставлена на строительную площадку, а затем сварена вместе, чтобы сформировать конструкцию. Это было бы очень дорого, так как сталь тяжелая. Бетон, с другой стороны, гораздо легче транспортировать в виде составных частей, затем смешивать и заливать на месте, придавая ему окончательную форму. Поскольку бетон на треть плотнее стали (и даже содержит от 5 до 10 процентов захваченного воздуха), общий вес здания из железобетона намного меньше, чем здания, полностью изготовленного из стали. Железобетон обычно состоит примерно на 1-4 процента из стали, поэтому в конечном итоге он весит намного меньше.

Стоимость

Сталь, хотя и относительно дешевая, и распространенная в большом количестве, намного дороже бетона. Просто имеет смысл армировать бетон сталью, потому что вы может получить преимущества прочности стали, сохраняя при этом низкую стоимость и простоту использования бетона.

You've just added this product to the cart:

简体中文EnglishРусскийСрпски језикTürkçe