2.1.4. Бетон і залізобетон
На сьогодні й у доступному для огляду майбутньому бетон і залізобетон, як конструктивний матеріал, займає провідне місце.
Бетон – штучний кам’яний матеріал, що складається із суміші в’яжучої речовини (цементу), води й заповнювачів (дрібних зерен піску й крупних шматків гравію або щебеню). Всі складові при виготовленні бетону дозують у певному оптимально заданому співвідношенні, щоб отримати наперед задані якісні характеристики. Після укладання бетону в опалубку (форму) його якісно ущільнюють і вирівнюють (загладжують) відкриті поверхні, надаючи їм відповідної фактури. Бетонним конструкціям можна надавати будь-яких архітектурних форм.
Цемент застосовують для приготування бетону як в’яжучий матеріал. Цементне тісто, що утворюється при перемішуванні цементу з водою, обволікає зерна піску, щебеню і відіграє роль змащення, що надає бетонній суміші необхідну рухливість при укладанні.
При перемішуванні в’яжучого й інших компонентів бетону відбувається хімічна реакція гідратації цементу й води, яка з часом спричиняє його твердіння. Твердіючи, цементне тісто переходить у камінь.
Для приготування бетону застосовують різні види в’яжучого: портландцемент, пуцолановий портландцемент, шлакопортландцемент. У випадках, коли необхідно досягти проектної міцності бетону в короткі терміни, застосовується глиноземистий цемент.
Для приготування бетонної суміші використовують будь-яку придатну для пиття воду, а також природні води рік, озер і штучних водойм, які не містять солей, кислот і органічних домішок, що перевищують певну межу, а також не забруднені стічними, болотними, побутовими або промисловими водами.
Дрібними заповнювачами для важких бетонів служить пісок, крупними – щебінь або гравій. Їх оптимальний підбір забезпечує, міцність та інші необхідні властивості при мінімальних витратах цементу.
Бетон як матеріал для конструкцій повинен мати певні наперед фізико-механічні властивості – міцність, щільністю, надійне зчіплювання з арматурою. Це досягається підбором кількісного співвідношення складових – цементу, води, піску й крупного заповнювача. Важливе значення при цьому має вагове співвідношення кількості води W до кількості цементу C в одиниці об’єму – так зване водоцементне співвідношення (W/C), оскільки існує закономірність: чим менше W/C, тим вища міцність бетону.
За водоцементним співвідношенням розрізняють бетонні суміші жорсткі (W/C становить 0,3…0,4) і пластичні (W/C становить 0,5…0,7). Жорсткі бетонні суміші використаються переважно для виробництва збірних конструктивних елементів на заводах. Такі суміші сприяють економії цементу, меншій тривалості теплової обробки, а значить і економії енергоресурсів при виготовленні конструкцій.
Міцність бетону є найважливішою фізико-механічною характеристикою і часто розглядається як його характеристика якості. Її прийнято характеризувати класом бетону за міцністю на стиск. Такий клас бетону визначається за результатами стискання до руйнування еталонних зразків-кубиків із ребром 150 мм, виготовлених і випробуваних у відповідності до ДСТУ (державних стандартів України) у віці 28 діб. Для виготовлення різних конструкцій застосовують класи бетону за міцністю на стиск, що позначаються: B3,5; B5; B10; B12,5; B20; B25; B30; B35; B40; B45; B50; B55; В60. Числове значення у характеристиці класу бетону вказує, яке значення граничного опору на стиск у МПа має фіксуватись при випробуванні еталонних зразків-кубиків.
Різновидності бетонів визначаються також за деякими іншими показниками:
маркою за середньою щільністю – більше 2 500 кг/м3 (особливо важкі бетони); більше 2 200 і до 2 500 кг/м3 (важкі бетони); більше 1 800 і до 2200 кг/м3 (мілкозернисті бетони); більше 800 і до 2 000 кг/м3 (легкі бетони); більше 800 і до 1 400 кг/м3 (пористі бетони);
маркою за морозостійкістю – F50…F500 (важкі й мілкозернисті бетони); F25…F500 (легкі бетони); F15…F100 (пористі бетони);
маркою бетонів за водопроникністю – W2…W12 (для всіх видів бетонів). Числове значення у характеристиці марки бетону за водопроникністю вказує, яке значення тиску води в МПа витримує бетон без її просочування.
Легкі бетони з об’ємною масою менш 1 800 кг/м3 виготовляють із застосуванням природних або штучних пористих заповнювачів. Залежно від виду застосовуваного крупного заповнювача легкі бетони діляться на керамзитобетон, аглопоритобетон, шлакопемзобетон та ін.
За призначенням бетони розрізняють конструктивні – такі з яких виготовляють несучі конструкції, та ізоляційні, які використовуються в якості тепло- та звукоізоляції в огороджуючи конструкціях.
Різновидністю легкого бетону є ніздрюватий бетон. Його об’ємна маса 500–1 200 кг/м3. Такі бетони одержують змішуванням в’яжучих із водою та піною (пінобетон, піносилікат, пінозолобетон) або шляхом введення до складу бетону газоутворювача (газобетон, газосилікат, газозолобетон). Ніздрюваті бетони застосовують для теплоізоляції.
Залізобетон – конструктивний матеріал, який раціонально поєднує в собі два різні за своїми фізико-механічними властивостями матеріали: бетон і сталеву арматуру. Основна сутність залізобетону полягає в тому, щоб використати бетон у роботі на стиснення, а сталеву арматуру – на розтяг.
Як відомо, бетон чинить опір стисненню значно краще (в десятки разів), ніж на розтяг. Наприклад бетонна балка на двох опорах, яка працює на згин, (рис. 2.2, а) в частині перерізу вище нейтральної осі стискається, а нижче – розтягується. Робота такої бетонної конструкції буде надзвичайно неефективна, оскільки вона зруйнується від появи тріщини 1 при незначних у розтягнутій зоні 2 напруженнях, водночас опір її стисненої частини перерізу 3 лишається невикористаним. Така ж сама залізобетонна балка, (рис. 2.2, б) з розміщеними в розтягнутій зоні 3 сталевими стержнями 4, які чинять значний опір розтягу, має набагато більшу (в десятки разів) несучу здатність.
Армування стальним стержнями 4 інших конструкцій, наприклад колон (рис. 2.2, в), що зазнають стиснення, також сприяє суттєвому підвищенню їх несучої здатності, оскільки сталева арматура чинить опір стисненню також значно краще ніж бетон.
Р
ис. 2.2. Схема роботи конструкцій: а – бетонної балки; б – залізобетонної балки; в – залізобетонної колони
Основою спільної роботи бетону й сталевої арматури є вдала відповідність деяких властивостей цих матеріалів. Бетон при твердінні міцно зчіплюється з арматурними стержнями, і обидва матеріали деформуються при навантаженні спільно. Щільний бетон надійно захищає арматуру від корозії й безпосередньої дії вогню. У порівнянні з іншими будівельними матеріалами залізобетон відрізняється підвищеною довговічністю, оскільки з часом міцність бетону при сприятливих умовах експлуатації може суттєво зростати.
Особливістю роботи залізобетону є те, що під навантаженням у розтягнутій зоні бетону можливе утворення тріщин, які погіршують якості конструкцій. Проте розкриття цих тріщин, як показує досвід експлуатації залізобетону, за певних умов невелике й не заважає нормальній експлуатації залізобетонних конструкцій.
Тріщиностійкість залізобетону (властивість протидіяти утворенню тріщин) може суттєво підвищуватись, а ширина розкриття тріщин – значно зменшуватись, якщо застосовується попередньо напружений залізобетон.
Сутність попередньо напружених залізобетонних конструкцій полягає в тому, що бетон розтягнутої в стадії експлуатації зони перерізу до прикладення зовнішнього навантаження попередньо обтискується, за рахунок чого й досягається ефект підвищення тріщиностійкості або зменшення ширини розкриття тріщин до розмірів, які не перешкоджають нормальній експлуатації конструкцій.
Ефект попереднього напруження бетону може створюватися за рахунок попереднього (до бетонування конструкції) натягування арматури й закріплення її в такому стані. Після твердіння бетону й зчеплення його з арматурою закріплення арматури звільняється й вона, скорочуючись, обтискає бетон.
Бетонні й залізобетонні конструкції застосовують у вигляді монолітних або збірних конструкцій.
Монолітні залізобетонні вироби зводять в опалубці (спеціальній формі) безпосередньо на будівельному майданчику. В опалубку встановлюють попередньо заготовлені арматурні елементи – плоскі сітки або просторові каркаси й укладають та ущільнюють бетон, після твердіння якого опалубку розбирають.
Монолітний залізобетон має ряд суттєвих переваг, наприклад, більш економні витрати бетону й сталевої арматури, у порівнянні зі збірним; таким конструкціям можна надавати будь-які красиві архітектурні форми. Недоліками такого залізобетону є складність виконання робіт у зимових умовах, більша їх трудомісткість виготовлення.
Збірні залізобетонні конструкції виготовляють на спеціалізованих заводах у металевих інвентарних формах з використанням спеціального високопродуктивного устаткування. При цьому використовується ефективна теплова обробка бетону, що забезпечує швидке твердіння і високу якість виготовлення конструкцій у будь-яку пору року.
Збірні залізобетонні конструкції мають ряд переваг перед монолітними: заощаджується матеріал на опалубку, механізуються й автоматизуються трудомісткі операції виготовлення й монтажу, скорочується тривалість будівництва, поліпшується якість конструкції. Недоліками таких конструкцій за певних умов слід вважати менш економічні витрати матеріалів – бетону й арматури.
Армування залізобетонних конструкцій виконується різними видами сталей, фізико-механічні властивості яких залежать від їх хімічного складу, способу виготовлення та обробки.
Суттєво на міцність та інші якості сталі впливає наявність вуглецю та різних легуючих домішок: марганцю, кремнію, хрому та ін. так, наприклад, вміст вуглецю більше 0,5 % понижує пластичність та погіршує зварюваність сталі; марганець підвищує міцність сталі без суттєвого зниження її пластичності; кремній, підвищуючи міцність сталі, погіршує її зварюваність. Вміст легуючих добавок, зазвичай, становить 0,6…2 %.
Спосіб виготовлення та обробки також суттєво впливає на властивості арматурних сталей. При спеціальному її витягуванні (деформуванні) в холодному стані до напружень, що перевищують межу плинності, під впливом структурних перетворень кристалічної решітка (наклепу) арматурна сталь зміцняється. Високоміцну арматурну сталь отримують також термообробкою (закалюванням) – нагріванням до температури близько 800 ºС із послідуючим спеціальним охолодженням.
За характером поверхні арматура може бути гладкою класу А-І або рифленою гарячекатаною класів А-ІІ, А-ІІІ (з виступами періодичного профілю), діаметром 6…40 мм (рис. 2.3). Рифлена арматурна сталь найпоширеніша при виготовленні залізобетонних конструкцій, оскільки періодичний профіль має найкраще зчеплення з бетоном.
Рис. 2.3. Види профілів арматури: а – гарячекатаний класу А-ІІІ; б – гарячекатаний класу А-ІІ
Для армування залізобетонних конструкцій використовується як звичайна (міцністю до 400 МПа), так і високоміцна (міцністю 500…1500 МПа) стержнева, дротяна арматура, або у вигляді арматурних канатів. Останні виготовляються з високоміцного арматурного дроту.
Високоміцна арматура використовується для виготовлення високоефективних попередньо напружених залізобетонних конструкцій. Застосування такої арматури надає можливість суттєво економити арматуру сталь.
Проектування, визначення площі перерізу бетону й арматури залізобетонних конструкцій виконується на підставі розрахунків відповідно до діючих нормативних документів (ДБН – державними будівельними нормами) з розрахунку і конструювання, дотримання яких обов’язкове.
[Вгору] [Вниз]
2.1.5. Метали
Металеві конструкції широко використовуються у будівництві. Такі конструкції застосовуються у вигляді стрижневих або суцільних систем. Для їх виготовлення використовують чорні метали – сталь і чавун, кольорові – алюмінієві й мідні сплави. Зі сталі зводять каркаси будівель, виготовляють арматуру для залізобетону, труби, покрівельні листи, дверні і віконні пристрої, заклепки, болти, цвяхи та ін. Із кольорових металів найбільш розповсюджені в будівництві конструкції з алюмінію та алюмінієвих сплавів, які знаходять широке застосування завдяки малій питомій вазі і високій стійкості проти корозії.
Сталь являє собою сплав заліза з вуглецем, крім того в незначних кількостях у ній містяться домішки марганцю, кремнію, фосфору і сірки. Одержують сталь у результаті переплавляння чавуну в мартенівських печах або конверторах. За способом одержання марки сталі, що застосовуються в будівництві, поділяються на спокійні (СП), напівспокійні (НС) і киплячі (КП). У несучих сталевих конструкціях, що експлуатуються при температурі нижче – 30 °С, марки сталі КП, як правило, не використовують.
Фізико-механічні характеристики сталі: міцність і деформативність – визначають за діаграмами σs-εs (рис. 2.4), які отримують у результаті випробовувань спеціальних зразків на розтяг. За такими характеристиками розрізняють м’які (з фізичною ділянкою текучості) сталі (рис. 2.4, а), та тверді – з умовною межею текучості (рис. 2.4, б).
Основні механічні характеристики сталей, що застосовуються у будівництві: міцність, пластичність, утомливість. Міцність вимірюється в двох станах:
– за досягнення металу межі текучості σy , для м’яких сталей, коли сталь тече без збільшення зовнішнього навантаження, чи умовної межі текучості σ0,2 , яка відповідає залишковій деформації після розвантаження ε= 0,2 – для твердих сталей;
Р
ис. 2.4. Діаграми σs-εs при розтягуванні сталі: а – з ділянкою текучості; б – з умовною межею текучості
– при досягненні межі міцності σsu, за якою метал руйнується.
Для розрахунку конструкцій приймається розрахунковий опір сталі в МПа (кгс/см2), що відповідає фізичній чи умовній межі текучості.
Втомливістю металу називають стан руйнування під дією багаторазово повторюваного зовнішнього навантаження. Наприклад, таке явище відбувається при багаторазовому перегині дроту.
Втомливість металу небезпечна, коли будівельні конструкції працюють в умовах багаторазово циклічних навантажень, а також у кліматичних умовах із низькими температурами.
Сортамент сталевих профілів (рис. 2.5), що поставляються металургійними заводами для будівництва, включає: сталь круглу – 1, квадратну – 2, у вигляді смуги – 3, кутики рівносторонні – 4 і нерівносторонні – 5, z-подібні – 6, швелери – 7, двотаври – 8, а також труби, листи, хвилясту і рифлену сталь та спеціальні профілі для віконних переплетінь.
Сталеві профілі випускають довжиною від 6 до 12 м. При постачанні сталі, призначеної для будівельних конструкцій, вказують марку і групу сталі, а також межу текучості, вміст вуглецю, сірки, фосфору.
При виготовленні конструкцій із виробів (прокату), що поставляється заводом, відрізають елементи необхідної довжини і з’єднують їх між собою за допомогою зварювання, болтів чи заклепок.
Найбільш простим і дешевим способом з’єднанням є зварювання. За методом виконання розрізняють ручне зварювання, автоматичне і напівавтоматичне. Міцність зварених швів повинна бути не нижче міцності елементів, що з’єднуються.
|