9. ЖЕЛЕЗОБЕТОН

9.1. Общие понятия о железобетоне

Бетон, как и любой другой каменный материал, обладает высокой прочностью на сжатие и в то же время в 10…15 раз меньшей – на растяжение. Это существенно ограничивало применение бетонных изделий в строительстве. Сталь же, обладая очень высоким пределом прочности при растяжении, способна воспринимать растягивающие напряжения (прочность стали 380…1800 МПа), поэтому конструкции из бетона, работающие на изгиб или на растяжение, армируют ("вооружают"). При работе таких элементов возникают два противоположных напряжения - растягивающие и сжимающие. При этом сталь воспринимает первые, а бетон - вторые, и железобетонный элемент в целом успешно противостоит изгибающим нагрузкам, т. е. сочетается работа бетона и стали в одном материале. Конструкции, работающие на сжатие, для увеличения их несущей способности часто также армируют. 

Возможность совместной работы в железобетоне двух резко различных по своим свойствам материалов определяется следующими важнейшими факторами:

бетон прочно сцепляется со стальной арматурой, вследствие чего при возникновении

напряжений в железобетонной конструкции оба материала работают совместно; сталь и бетон обладают почти одинаковым температурным коэффициентом расширения (стали - 1210-6 ºС-1 и бетона 1010-6 ºС-1), что обеспечивает полную монолитность железобетона

(колебания температуры не нарушают его целостность); бетон не только не оказывает разрушающего влияний на заключенную в нем сталь, но

предохраняет ее от коррозии.

Таким образом, железобетон – это композиционный материал, в котором соединены в единое целое бетон и сталь. В зависимости от способа армирования и состояния арматуры различают железобетонные изделия с обычным армированием и с предварительнонапряженной арматурой.

К обычным армированным железобетонным изделиям относят такие, усиление прочности которых достигается путем укладки стальных стержней, сеток или каркасов при изготовлении изделий. Однако такой способ армирования не предохраняет полностью изделия, работающие на изгиб, от образования трещин в бетоне в растянутой зоне, так как бетон обладает незначительной растяжимостью (1…2 мм на 1 м длины), тогда как сталь при таких же нагрузках растягивается в 5…6 раз больше бетона. Появление трещин отрицательно влияет на работу железобетонного элемента: увеличиваются прогибы, в трещины проникают влага и газы, что создает опасность коррозии стальной арматуры.

Избежать образования трещин в железобетонной конструкции можно предварительным сжатием бетона в местах, подверженных растяжению. В таком бетоне трещины появляются только в том случае, если растягивающие напряжения превзойдут напряжения предварительного сжатия. Сжатие бетона достигается предварительным напряжением (растяжением) арматуры. 

Предварительное напряжение арматуры не только предупреждает появление трещин в растянутом бетоне, но и позволяет снизить массу железобетонных конструкций, увеличить их жесткость, повысить долговечность и сократить расход арматуры. 

В зависимости от исполнения железобетонные конструкции делятся на сборные, монолитные и сборно-монолитные.

 

9.2. Технология сборного железобетона

Сущность сборного домостроения заключается в том, что изделия изготавливаются на заводе, а затем доставляются на стройку, где из них собираются, монтируются здания и сооружения. 

Существует несколько основных способов организации заводского производства железобетонных изделий: 

стендовый метод – когда все основные операции изготовления изделий выполняются на

одном рабочем месте в неперемещаемых формах, а специализированные рабочие звенья и механизмы перемещаются от одного рабочего места к другому в принятом ритме потока. Этим методом производятся крупноразмерные балки, фермы, арки, шахты лифтов, сантехкабины, лестничные марши, трубы. Разновидность стендового метода – кассетный, при котором одновременно несколько изделий (стеновые панели) изготавливаются в сгруппированных вертикальных формах (кассетах);  агрегатно-поточный метод – изготовление изделий в перемещаемых с помощью специальных или обычных подъемно-транспортных средств (кранов) от одного рабочего места (поста, оборудованного специальными установками-агрегатами) к другому рабочему месту формах. При этом на одном посту может выполняться несколько операций, после завершения которых изделие передается на следующий пост без соблюдения принудительного ритма. Разновидность агрегатно-поточного метода – конвейерный, при котором изделия перемещаются от поста к посту в принудительном пульсирующем ритме, а на каждом посту выполняется только одна операция. Наиболее производительный метод. Агрегатно-поточным и конвейерным способом изготавливают фундаментные плиты, фундаментные блоки, стеновые панели и блоки, плиты перекрытий и покрытий, лестничные площадки, шпалы, архитектурные детали и ограды и многое другое. К конвейерному способу относится также непрерывное формование – вибропрокатный стан. Выбор метода изготовления зависит от номенклатуры изделий, технологических особенностей и объема производства. 

Изготовление сборных железобетонных конструкций включает следующие операции:

1. Приготовление бетонной смеси

По своему строению бетонная смесь представляет единое физическое тело, в котором частицы вяжущего, вода и зерна заполнителя связаны внутренними силами взаимодействия. Качество бетонной смеси тяжелого бетона характеризуется удобоукладываемостью, средней плотностью, объемом вовлеченного воздуха, расслаиваемостью (при необходимости), однородностью.

Удобоукладываемость – это способность бетонной смеси принимать заданную форму, оценивается показателями жесткости или подвижности, подразделяется на марки.Подвижные смеси представляют собой сплошную пластичную массу и легко распределяются в форме под действием собственного веса без приложения существенных внешних усилий. Жесткие смеси – это рыхлая, а иногда и сыпучая масса. Для придания ей требуемой формы и уплотнения необходимо длительное механическое воздействие. Отсюда следует значение удобоукладываемости: чем легче бетонная смесь перемешивается и принимает заданную форму (это процессы формования), тем меньше надо тратить на это усилий, энергии. Возникает вопрос, а зачем тогда вообще нужны жесткие смеси? Дело в том, что подвижность обеспечивается, как правило, высоким значением водозатворения, а это отрицательно сказывается на прочности получаемого бетона, его усадке и, главным образом, на морозостойкости. Для разрешения данного противоречия в смесь и вводят пластифицирующие добавки. ГОСТами установлено обязательное применение пластифицирующих добавок при приготовлении бетонных смесей марок по удобоукладываемости П3…П5. 

От однородности бетонной смеси, определяемой качеством ее перемешивания, напрямую зависит однородность и качество бетона. Смесь признается однородной, если любая проба из ее замеса имеет один и тот же постоянный состав. Объем пробы должен не менее чем в 5 раз превосходить максимальный размер крупного заполнителя.

Изготовление бетонной смеси тяжелого бетона состоит из следующих операций: приемка сырьевых компонентов; дозирование (сыпучие исходные материалы для бетонной смеси дозируют по массе, кроме пористых заполнителей, которые дозируют по объему с коррекцией по массе, жидкие составляющие дозируют по массе или объему); перемешивание (бетонные смеси всех марок по удобоукладываемости приготавливают в смесителях принудительного действия, подвижные бетонные смеси допускается приготавливать в гравитационных смесителях); рабочий раствор химической добавки вводят вместе с водой затворения.

Из бетоно-смесительного цеха готовая бетонная смесь направляется либо внутризаводским транспортом в формовочный цех предприятия для последующего изготовления сборных бетонных и железобетонных конструкций, либо автотранспортом (товарные бетоны и растворы) на стройплощадку для возведения монолитных бетонных и железобетонных конструкций, зданий и сооружений (дорог, гидротехнических сооружений и т.д.). 

 

2. Производство арматурных элементов

Для армирования бетона применяют главным образом стальную арматуру из углеродистых и низколегированных сталей.

Стальную арматуру (арматурную сталь) классифицируют:  по основной технологии ее изготовления – на горячекатаную стержневую диаметром 6...80 мм и холоднотянутую проволочную диаметром от 3 до 5,5 мм и, в ограниченном количестве, 6…8 мм.

по условию применения в конструкциях – на ненапрягаемую и напрягаемую арматуру;  по профилю - на гладкую (стержни арматурной стали класса А-1) и периодического

профиля (для улучшения сцепления арматуры с бетоном). Гладкую арматуру ввиду ее недостаточного сцепления с бетоном заанкеривают путем устройства крюков на концах стержней; по назначению – на рабочую (воспринимает усилия, возникающие в железобетонных

элементах от внешних нагрузок и собственного веса); распределительную (равномерно распределяет усилия между стержнями рабочей арматуры, обеспечивает их совместную работу, препятствует смещению стержней при бетонировании); монтажная арматура (для сборки арматурного каркаса).

В производстве железобетонных изделий применяют следующие арматурные элементы:  отдельный элемент (стержень - арматура любого диаметра и профиля); набор линейных элементов (пучок проволок, пакет проволок или прядей);  сварная сетка - сварные арматурные сетки изготовляют из стержней, расположенных в

двух взаимно перпендикулярных направлениях и соединенных в местах пересечения контактной точечной сваркой; плоский каркас - состоит из двух и более продольных стержней в одной плоскости, являющихся рабочей и монтажной арматурой,  и  приваренных к ним контактной сваркой поперечных стержней. Плоские каркасы предназначены для армирования линейных изгибаемых или растянутых железобетонных элементов и конструкций с малой шириной поперечного сечения; пространственный каркас - изготовляют с поперечными стержнями, расположенными

в разных плоскостях, из плоских сеток и каркасов путем их сварки и гнутья; монтажные петли предназначаются для подъема сборных железобетонных элементов. Их готовят из гладкой арматурной стали класса A-I. Для лучшей анкеровки петли в бетоне на ее концах устраивают крюки; закладные детали предназначаются для соединения между собой сборных конструкций. Их готовят из отрезков круглой, полосовой, листовой, угловой или швеллерной стали, отвечающей условиям свариваемости. Надежность соединения закладной детали с бетоном конструкции обеспечивается приваренными к ней и заделываемыми в бетон анкерными стержнями.  

Арматурные изделия изготовляют на поточных механизированных и автоматизированных технологических линиях. Их располагают, в зависимости от объема производства и номенклатуры изделий, в отдельных унифицированных пролетах или впереди формовочных агрегатов в тех же пролетах.

Здесь выполняются следующие основные операции: правка, резка, гибка и стыковая сварка стержней; сварка плоских сеток и каркасов; гибка сеток и каркасов; укрупнительная сборка объемных каркасов; изготовление и металлизация закладных деталей; изготовление монтажных петель и др.

 

3.  Подготовка форм

Включает в себя чистку, смазку и сборку форм, установку и натяжение арматуры. 

Формы подразделяют на неподвижные и передвижные, индивидуальные (на одно изделие) и групповые, горизонтальные и вертикальные, силовые (для напрягаемой арматуры) и несиловые, разъемные и неразъемные с откидывающимися бортами, металлические, деревянные, железобетонные, пластиковые и комбинированные. В производстве сборного железобетона наибольшее применение получили металлические формы. Пластмассовые формы обрабатываются специальным раствором с антистатиком для снятия статического электричества, приводящего к ухудшению качества поверхности. Смазка необходима для уменьшения прилипания бетона к формам. Правильно подобранная и хорошо нанесенная смазка облегчает расформовывание изделия и способствует получению ровной гладкой поверхности бетона.

 

4.  Формование изделий

Бетонную смесь заданного качества по удобоукладываемости и составу поставляют в формовочный цех из БСУ при помощи бетоновозных тележек, бетонораздатчиков, ленточных конвейеров. Здесь смесь поступает в бетоноукладчики и укладывается в металлические формы. 

Задачами формования являются придание изделию заданных размеров и формы, а также получение бетона бездефектной однородной по сечению структуры. 

Способы формования железобетонных изделий можно разделить на три основных вида – вибрационные (наиболее распространен), безвибрационные и комбинированные.

Сущность виброформования (виброуплотнение)  состоит в том, что путем сообщения механических колебаний (под действием вибрации) отдельным частицам бетонной смеси разрушаются силы связи между ними (силы трения и сцепления). Вследствие этого бетонная смесь разжижается (становится более подвижной) и уплотняется за счет того, что частицы заполнителя образуют более компактную систему сложения, а вовлеченный в процессе перемешивания воздух из смеси удаляется. Виброформование осуществляется на виброплощадках, где вибрируется форма со смесью; при помощи внутренних (глубинных) и поверхностных вибраторов; при помощи наружных вибраторов, прикрепляемых к днищу или стенкам форм.

К безвибрационным относят: прессование; центрифугирование; торкретирование (пневмонабрызг); трамбование; литье. 

Комбинации этих способов: виброгидропрессование, виброштампование, вибропрокат, вибровакуумирование и т.д.

 

5. Твердение бетона

В заводской технологии сборного железобетона его твердение, как правило, ускоряют для интенсификации производства, сокращения производственных площадей, увеличения оборачиваемости форм, снижения металлоемкости производства. Основным способом ускорения процессов твердения служит тепловая обработка, при которой ускоряется протекание реакций между цементом и водой. Однако вследствие температурно-влажностного градиента в структуре затвердевшего бетона возникают внутренние напряжения, приводящие к микротрещинообразованию и снижению прочности бетона по сравнению с твердеющим в естественных (спокойных) условиях. Исключение – бетоны на основе шлакопортланцемента.

К тепловой обработке относятся:

-                     пропаривание при атмосферном давлении водяным паром (тепловлажностная обработка). При повышенной (до 60…90 С) температуре в условиях 100 %-ной относительной влажности (присутствии влаги) бетон набирает проектную (28-суточную прочность) за 6…12 часов. Осуществляется в специальных аппаратах периодического (ямные камеры) и непрерывного (туннельные – щелевые и многоярусные, башенные камеры) действия. 

-                     пропаривание при избыточном давлении водяным паром (автоклавирование). При температуре выше 175…200 С и давлении 8…12 ат, обеспечивающим равновесие между паровой и жидкой фазами, влага в бетоне остается в жидком виде, что значительно ускоряет его твердение и способствует образованию дополнительного количества новых высокопрочных соединений в результате взаимодействия гидроксида кальция (продукт гидратации цемента) с кремнеземом. Для цементных бетонов автоклавная обработка желательна, для силикатных – необходима.

-                     контактный обогрев, когда теплоноситель (пар, вода, масло, дымовые газы и т.д.) нагревает изделие через разделяющую их перегородку (паровые кожухи, тепловые рубашки);

-                     электропрогрев, когда через бетон пропускается электрический ток и бетон разогревается из-за своего электрического сопротивления;

-                     индукционный прогрев, когда в арматуре изделия наводятся вторичные токи, разогревающие арматуру и все изделие;

-                     прогрев токами высокой частоты (микроволновка);

-                     облучение тепловыми или инфракрасными лучами;

-                     гелиообработка (за счет солнечной энергии);

-                     горячее формование (когда бетонную смесь предварительно подогревают до 85…95

ºС).

После тепловой обработки изделие распалубливают (раскрывают форму и вынимают из него изделие), а форму чистят, смазывают, собирают, укладывают арматуру и весь цикл повторяется вновь. 

 

6. Отделка изделия

Изделие можно направлять на строительство по достижению бетоном нормируемой ГОСТом отпускной прочности, которая для тяжелого бетона в теплый период года составляет

70 % от проектной и 90 % - в холодный период. 

 

9.3. Технология монолитного железобетона

Монолитный железобетон находит все более широкое применение в строительстве, так как эффективнее сборного. Монолитное строительство включает в себя следующие операции: монтаж опалубки; установка арматуры; укладка, распределение и уплотнение бетонной смеси; уход за твердеющим бетоном. Все эти операции осуществляются на месте строительства.

Опалубка может быть съемной и несъемной. Изготавливают опалубку из металлических листов, досок, фанеры с полимерным покрытием, пластиковую, из ДСП. По конструкции съемная бывает сборно-переставная, горизонтально перемещаемая, скользящая и т.д. 

Бетонную смесь изготавливают как в полевых (непосредственно на стройплощадке), так и в заводских условиях. На стройплощадке для этого используются стационарные или передвижные бетоносмесительные установки. Бетонная смесь доставляется к строящемуся объекту автосамосвалами, автобеносмесителями, автобетоновозами. Арматуру изготавливают на заводах и доставляют на площадку, как правило, в виде готовых элементов. Соединение арматуры осуществляется электродуговой сваркой либо вязанием.

Укладка бетонной смеси производится при помощи кранов (в бадьях – галошах), бетононасосов, специализированных бетоноукладчиков, путем непосредственной выгрузки из автотранспорта по наклонным лоткам. При необходимости смесь уплотняют (массивные конструкции – глубинными вибраторами, плоские конструкции толщиной до 20…25 см – поверхностными вибраторами). После этого бетон твердеет до достижения им распалубочной прочности, тогда опалубка демонтируется. Во время твердения до того момента, когда прочность бетона достигнет 70 % от проектной прочности, за ним необходим уход. Свежеуложенный бетон следует поддерживать во влажном состоянии и оберегать от сотрясений, повреждений, ударов, резких изменений температуры и быстрого высыхания. 

Главная проблема монолитного строительства – сезонность. При отрицательных температурах вода затворения замерзает и твердение прекращается. При бетонировании в зимних условиях свежеуплотненную бетонную смесь подогревают снаружи паром или электрическим током. Пар обычно подают между двойными стенками опалубки; иногда пар пропускают по трубам, уложенным внутри бетона. Это позволяет достигнуть 60…70 % проектной прочности через 1…2 суток. Электропрогрев бетона производят переменным током с применением поверхностных и внутренних электродов (иногда это арматура). При прохождении тока в бетоне выделяется тепло, в результате чего он разогревается (требования – не выше 60 С для предотвращения местного пересыхания). Другими способами бетонирования без внешнего обогрева являются: применение цементов с высокой экзотермией; добавок-ускорителей твердения; разогретых смесей; теплоизоляция твердеющего бетона (метод «термоса»).

При бетонировании конструкций с большой поверхностью охлаждения (покрытие дорог, облицовка каналов и др.) в бетонную смесь вводят противоморозные добавки. Такой бетон называется «холодным бетоном».